[实用新型]基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件

说明书

本实用新型基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件，包括用于形成第一壁部件结构的支撑体，所述支撑体形状为U型槽状结构，在U型槽状结构的底部面向等离子体的一面涂有耐高温腐蚀的涂层，在所述U型槽状结构的支撑体内开设有冷却流道，所述冷却流道为双重冷却流道。本实用新型通过冷却流道的双重冷却，快速带走第一壁上的热量，增强了第一壁的传热，进一步加固了第一壁结构的热‑机械安全性能。同时由于其高效的热传导效率、较好的中子学经济性与力学安全性能等优势，可应用于未来氘氚聚变能源示范堆面向等离子体部件，具有重要的工程实用价值。

技术领域

本实用新型属于聚变反应堆技术领域，具体涉及一种基于石墨烯导热的双重冷却聚变堆第一壁部件。

背景技术

对于解决未来的能源，以燃料取之不尽，生产高效和洁净为特点的受控核聚变是人们寄予希望最大的一个研究领域。自20世纪五十年代以来，世界发达国家和少数发展中国家都投入了大量人力和物力，先后建造了大小规模不等的200多个托卡马克装置以及一些仿星器、激光点火装置等。我国于2017年12月5日在安徽合肥正式启动了中国聚变工程实验堆(CFETR)项目的工程设计，并计划于本世纪中叶实现聚变发电示范堆的建造，目前相关单位正在开展中国聚变工程实验堆的相关工程设计。对于托卡马克型核聚变装置来说，面向等离子体一侧通常布置有第一壁，其作用是承受来自堆芯等离子体辐射的热流并保护聚变堆包层以及真空室内部其它部件免受高强度热负荷冲击及高能中子辐照。第一壁通常由第一壁涂层(Armor)及第一壁支撑结构两部分构成，作为第一壁材料，要求耐等离子体腐蚀、高机械强度、抗热冲击、放气率低、吸附杂质少密度均匀等特点。

早期的面向等离子体涂层(Armor)材料有石墨、Be等材料，钨由于具有高熔点、在等离子体里有低的腐蚀率等特点因而被认为是最优希望的未来聚变堆第一壁涂层的重要候选材料，目前第一壁涂层主要围绕钨涂层设计。但是由于钨的原子序数较高，会存在辐射损耗，芯部等离子体中所容许的含量大大低于Be和石墨；同时钨也是一种较强的中子吸收体，造成包层氚增殖能力的降低，必须限制第一壁中钨材料的含量，在高热负荷下也会发生再结晶脆化甚至发生熔化。第一壁是包层模块中直接面向等离子体的重要部件，须要承受来自等离子体的高密度热流及自身结构内产生的大量核热，目前所设计的第一壁主要在钨涂层后方的结构内布置了沿面对等离子体极向均匀排列的U型氦气或水等冷却流道，用于冷却并带走第一壁上发生的过高能量沉积。

由于第一壁是聚变堆的关键承力部件，为了减小第一壁热应力，第一壁的结构温度应尽可能低，但第一壁直接面向等离子体，承受热负载最大，对氦气或水的冷却能力要求最高，承受工况最为严重，其中子学与热-机械等性能的安全直接影响了第一壁后面聚变堆部件的安全以及聚变能的应用，成为了聚变堆设计重点研究并首先冷却的对象。

石墨烯是目前世界上最薄最坚硬的纳米材料，具有高熔点、高硬度、高的导热性能等优点，强度是钢的200倍，热导率高达5000W/(m·K)，是未来的一种革命性的材料，目前核聚变反应堆装置的设计还未见有其在相关部件上的设计。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供了一种热传导效率高，且力学安全性能好的基于石墨烯导热的双重冷却剂聚变堆第一壁部件。

为解决该问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于石墨烯导热的双重冷却剂聚变堆第一壁部件，包括用于形成第一壁部件结构的支撑体，所述支撑体形状为U型槽状结构，在U型槽状结构的底部面向等离子体的一面涂有耐高温腐蚀的涂层，在所述U型槽状结构的支撑体内开设有冷却流道，所述冷却流道为双重冷却流道。

进一步地，所述双重冷却流道是指在冷却流道的内壁面上镀有石墨烯涂层，冷却流道中有冷却剂。

进一步地，在所述耐高温腐蚀涂层直接面向等离子体表面镀有石墨烯层。

进一步地，在所述U型槽状结构底部的支撑体表面与耐高温腐蚀的涂层之间涂有导热层。