[实用新型]一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构

说明书

本实用新型属于磁约束核聚变技术，具体为一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，包括冷却套管主体、进水环形干流管和出水环形干流管；冷却套管主体筒状结构，筒壁内沿着筒壁竖直方向设有N个入水孔和N个出水孔，冷却套管主体筒体下端设有N个连通部，其将相邻的入水孔和出水孔连通，入水孔/出水孔内部壁面均排列有孔壁螺旋肋，通过螺旋肋条将靠近内壁一侧的高温水与靠近外壁一侧的低温水不断交换，相对于光滑壁面的水路，能大幅度提高冷却剂的换热效率，降低结构最高温度，平衡冷却套管内外区域的热量沉积。

技术领域

本实用新型属于磁约束核聚变技术，具体涉及一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构。

背景技术

偏滤器作为未来聚变堆的关键部件，其直接面向等离子体的部件表面，将在强粒子流、高热负荷的环境下运行，对表面材料和冷却结构设计等均提出了极大的要求。目前的托卡马克装置的偏滤器区域的等离子体密度(～10²¹/m³)和离子通量(10²⁴/m³～10²⁵/m³)均远低于未来聚变堆的水平，无法在该环境下开展等离子体与材料相互作用的特性研究，评估其是否适用于作为未来聚变堆偏滤器部件表面材料。

直线等离子体装置由于其结构简单、易于维护，且能够产生高密度的低温等离子体，作为等离子体与材料相互作用的特性研究，日益受到了重视。近年来，我国也逐步建立了多个直线等离子体装置，如四川大学、核工业西南物理研究院、北京航空航天大学和中科院等离子体所等。目前直线装置普遍采用级联弧离子源，用于产生所需的低温等离子体；为了得到更高的等离子体密度和通量，需要进行更大的电压和电流放电，实现更高的功率输出。虽然离子源的输出功率大幅度增加了，但是送气口通道的宽度基还在毫米量级，因此，电离的低温等离子体会在这个狭小的管道空间内形成强的等离子体流和高热负荷，并随着放电功率的增加而快速增加，这将严重影响离子源的使用寿命，也限制了更高等离子体密度的放电运行。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其能够作为等离子体放电通道的保护壁，快速导出沉积在该表面的热负荷，延长离子源使用寿命。

本实用新型的技术方案如下：

一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，包括冷却套管主体、设于冷却套管主体上方且与其冷却通道连通的进水环形干流管和出水环形干流管；所述的冷却套管主体筒状结构，筒壁具有一定厚度，筒壁内沿着筒壁竖直方向设有2N个冷却通道，其包括N个入水孔，N个出水孔，且入水孔和出水孔间隔布置，所述的进水环形干流管与入水孔相通，所述的出水环形干流管与出水孔相通；所述的入水孔与相邻的出水孔在冷却套管主体筒体下端内部连通，即在冷却套管主体筒体下端设有N个连通部，其将相邻的入水孔和出水孔连通。

所述的入水孔/出水孔内部壁面均排列有孔壁螺旋肋，其且在孔内壁环向均匀排布。

所述的孔壁螺旋肋数的扭曲比为2～5，肋的径向厚度为0.1～0.4mm。

所述的冷却套管主体上方设有过渡结构，其上设有2N个安装通孔，在安装通孔处间隔的设有N个进水支管和N个出水支管；所述的进水支管与其上方的进水环形干流管连通，所述的出水支管与其上方的出水环形干流管连通；所述的进水支管与下方的冷却套管主体的入水孔相通，所述的出水支管与其下方的冷却套管主体的出水孔相通。

所述的进水支管和出水支管为向外弯折的弯管，进水支管的高度位置大于出水支管的高度位置。

所述的过渡结构上的安装通孔，其内直径阶梯渐变，形成渐变通孔，其大端直径与下方的出水孔或入水孔的孔直径相同，小端直径与进水支管或出水支管的内直径相同。

所述的进水环形干流管和出水环形干流管的外侧分别安装与其对应连通的进水管和出水管。