[发明专利]用于聚变堆高剂量中子辐照和兆瓦级热负荷的第一壁结构

说明书

本发明属于聚变堆技术领域，具体涉及一种用于聚变堆高剂量中子辐照和兆瓦级热负荷的第一壁结构，该第一壁结构包括第一壁本体、保护层和流道内衬；第一壁本体的前壁外侧设有保护层，第一壁本体内设有用于冷却剂流通的流道，流道内衬位于流道内，第一壁本体的内开有沿横向互相平行设置的若干个流道，第一壁本体上的流道之间开有流道间缝隙，每个流道间缝隙均设有流道间缝隙倒角，保护层上沿横向平行开有保护层间缝隙，第一壁本体的材料为V‑(4‑5)％Cr‑(4‑5)％Ti钒合金，保护层采用钨瓦形状，流道内衬采用低活化铁素体/马氏体不锈钢RAFMs薄壁。本发明的该第一壁服役寿期长、能够承受1MW/m²表面高热负荷、冷却剂运行温度高，能够满足CFETR和未来聚变堆第一壁要求。

技术领域

本发明属于聚变堆技术领域，具体涉及一种用于聚变堆高剂量中子辐照和兆瓦级热负荷的第一壁结构。

背景技术

核聚变能源是未来人类的主要支撑能源。在聚变反应中，通过加热和约束氘氚燃料达到劳逊判据，形成上亿度的高温等离子体。当氘氚核聚变反应时，将释放高达17.4MeV的聚变能量，其中包含14MeV的高能聚变中子。

第一壁是直面等离子体的高热负荷部件，其包覆了80％以上的高温等离子体。聚变反应产生的14MeV高能中子将作用在第一壁上，产生严重的辐照损伤，随着运行时间的增加，第一壁结构材料的辐照损伤将逐渐累计，导致第一壁发生韧脆转化、辐照肿胀、在结构晶格间累计氦气等，严重影响第一壁力学性能和堆的运行安全。初步估计中国工程聚变实验堆(CFETR)第一壁辐照损伤将在50dpa以上，而未来示范(DEMO)堆和商业堆将在数百个dpa的辐照损伤。当前，常规第一壁结构材料低活化铁素体/马氏体不锈钢(RAFMs)只能承受～20dpa的辐照限值，无法满足未来聚变堆对于第一壁的服役时间要求。另一方面，聚变堆运行中，包覆等离子体的第一壁表面承受约0.5-1MW/m²的高热负荷，安全且高效的载走来自等离子体的高热负荷和聚变中子在第一壁沉积的核热是第一壁设计的另一重大挑战。服役寿期长、能够承受0.5-1MW/m²的高热负荷、以及具有高的热转换效率的第一壁是CFETR和未来聚变堆的重要需求。

现有氦冷第一壁无法满足CFETR和未来聚变堆的需求。其主要缺点在于：(1)主要采用低活化铁素体/马氏体不锈钢(RAFMs)为结构材料，RAFMs钢许用温度上限为550℃，中子辐照容许极限为20dpa，严重限制了第一壁的载热能力和使用寿命；(2)第一壁载热能力约为0.3-0.5MW/m²，无法满足高达1MW/m²的聚变堆高热负荷；(3)第一壁冷却剂进/出口温度约为300/500℃，工质运行温度相对较低，从而热电转换效率较低，不利于聚变堆的经济性运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于聚变堆高剂量中子辐照和兆瓦级热负荷的第一壁结构，该第一壁服役寿期长、能够承受1MW/m²表面高热负荷、冷却剂运行温度高，能够满足CFETR和未来聚变堆第一壁要求。

实现本发明目的的技术方案如下：一种用于聚变堆高剂量中子辐照和兆瓦级热负荷的第一壁结构，所述的第一壁结构包括第一壁本体、保护层和流道内衬；所述的第一壁本体的前壁外侧设有保护层，所述的保护层用于防止等离子体对于第一壁本体的侵蚀；所述的第一壁本体内设有用于冷却剂流通的流道，所述的流道内衬位于流道内。

所述的第一壁本体的内开有沿横向互相平行设置的若干个流道。

所述的第一壁本体上的流道之间开有流道间缝隙。

所述的每个流道间缝隙均设有流道间缝隙倒角。

所述的保护层上沿横向平行开有保护层间缝隙。

所述的第一壁本体的材料为V-(4-5)％Cr-(4-5)％Ti钒合金。

所述的保护层采用钨瓦形状。