[发明专利]聚变反应堆的第一壁部件

说明书

技术领域

本发明涉及聚变反应堆的第一壁部件，该第一壁部件包括：至少一个热屏蔽件，其由石墨材料构成，并具有闭合或敞开的引入件；以及冷却管，冷却剂流经该冷却管，该冷却管与该热屏蔽件至少部分地材料结合，并且该冷却管由热导率大于200W/m·K的材料构成。

背景技术

使用这种第一壁部件的典型实例是受到大于10MW/m²的最高可能热负荷的分流器和限制器。第一壁部件通常由热屏蔽件和散热区域构成。热屏蔽件的材料必须与等离子体相容，具有对于物理和化学溅射的高耐受性，具有高的熔点/升华点，以及尽可能高的抵抗热冲击性。另外，热屏蔽件的材料还必须具有高的导热性、低的中子活性和足够的强度/断裂韧性，以及好的可获得性和可接受的成本。除了例如钨等难熔金属之外，石墨材料(例如纤维增强石墨)可以最好地符合这些不同的、有时是互相矛盾的总体要求。由于来自等离子体的能量流在很长的时间阶段内作用于这些第一壁部件上，因而这种第一壁部件通常被主动冷却。通过吸热器来实现热量排放，该吸热器由例如铜或铜合金构成，并且通常与热屏蔽件机械连接。

可以用不同设计实现第一壁部件。在这方面，常规设计是通常所说的整块设计。在整块设计中，第一壁部件由具有同心孔的热屏蔽件构成。热屏蔽件经由该同心孔与冷却管连接。

第一壁部件不仅必须耐受热引起的机械应力，而且必须耐受另外产生的机械应力。这种另外的机械载荷可以经由电磁感应电流而产生，电磁感应电流流入第一壁部件并与周围的磁场相互作用。在这种情况下，会出现必须由热屏蔽件(即例如由石墨材料)传递的高频加速力。然而，石墨材料具有低的机械强度和断裂韧性。另外，在使用过程中，发生中子脆变，从而导致这些材料对于裂纹引入的敏感度进一步增加。通常采用纤维增强石墨(CFC)作为石墨材料。在这种情况下，三维、线性地布置纤维增强。根据定向，纤维的结构给予材料不同的性能。CFC通常借助于Ex-沥青纤维沿着一个方向得到增强，Ex-沥青纤维具有最高的强度和导热性。其它两个方向借助于Ex-聚丙烯腈纤维得到增强，其中通常只有一个方向是针刺的。

这样，尽管CFC具有线性材料结构，然而热屏蔽件/冷却管连接几何形状是圆形的。由于所用材料的热膨胀系数不同，因而在制造过程中，发生应力聚集，这会导致在CFC中产生裂纹。由于几何条件和所用的材料组合，即使能够检测，也只能借助于高度复杂的方法检测这些裂纹。在核环境背景下，这为这种第一壁部件提出了的相应问题，最重要的还是因为裂纹/剥落物被看作是重大事故的可能诱因。尽管在第一壁部件领域有复杂、累年的开发活动，然而迄今为止可获得的第一壁部件不能最佳地满足总体要求。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种第一壁部件，该第一壁部件可以适当地满足由机械应力产生的要求。

根据本发明的第一方面实现该目的。第一壁部件包括至少一个热屏蔽件，该热屏蔽件由石墨材料构成，并具有朝向等离子体倾斜的表面A并具有与表面A相反的表面B。热屏蔽件具有一个或多个狭槽，该狭槽终止于表面A或表面B，并且沿着冷却管的轴线方向观看，该狭槽在该热屏蔽件的基本上整个长度上延伸。此外，有利的是，狭槽底部区域中的最大狭槽宽度不超过D/2，D是冷却管的外径。在实例中更加详细叙述的试验表明，根据本发明的第一壁部件可以适当地应对由制造和热循环导致的机械应力。有利的是，狭槽大致相对于表面A或表面B垂直地延伸。狭槽深度x又有利地大于表面A或表面B与最接近的冷却管表面之间的距离的二分之一。特别有利的狭槽深度x的范围是u/2≤x≤9u/10，u是沿着竖直方向测量的表面A或表面B与最接近的冷却管表面之间的间隔。然而，狭槽甚至也可以一直延伸到冷却管或一直延伸到包裹该冷却管的延性层。在这种情况下，热屏蔽件不具有闭合的引入件而具有敞开的引入件。由于通常使用具有圆形横截面的冷却管，因而引入件也具有圆形横截面。