《一种次临界包层换料系统及其换料方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种次临界包层换料系统及其换料方法.pdf（18页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 104134476 A (43)申请公布日 2014.11.05 CN 104134476 A (21)申请号 201410412133.X (22)申请日 2014.08.21 G21C 19/20(2006.01) (71)申请人 中国工程物理研究院核物理与化学 研究所 地址 621999 四川省绵阳市绵山路 64 号 (72)发明人 刘志勇 王少华 彭述明 钱达志 李正宏 黄洪文 曾和荣 郭海兵 马纪敏 宋娟 (74)专利代理机构 成都九鼎天元知识产权代理 有限公司 51214 代理人 卿诚 (54) 发明名称 一种次临界包层换料系统及其换料方法 (57) 摘要。
2、 本发明公开了一种次临界包层换料系统及其 换料方法， 属于裂变聚变混合堆的设备技术领域。 本发明的次临界包层换料系统， 在真空壳上设有 18 个连接板， 所述连接板由相互对称的两连接板 模块螺栓连接而成， 在其中一个连接板的两个连 接板模块之间增设有 TF 上连接板， 所述 TF 上连 接板位于两 TF 线圈之间， 且所述 TF 上连接板与 两侧的连接板模块通过螺栓连接 ； 所述 TF 上连接 板上开设有连通真空壳内外的装卸料口。本发明 的次临界包层换料系统及其换料方法， 减小了管 内流体阻力， 增大了单个包层模块的流量， 提高了 ITER 裂变聚变混合堆次临界包层的热交换能力 ； 降低了包层。
3、模块的安装难度， 有利于后期的检修、 维护以及换料。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 11 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图11页 (10)申请公布号 CN 104134476 A CN 104134476 A 1/1 页 2 1. 一种次临界包层换料系统， 在真空壳 （1） 上设有 18 个连接板 （4） ， 所述连接板 （4） 由 相互对称的两连接板模块螺栓连接而成， 其特征在于 ： 在其中一个连接板 （4） 的两个连接 板模块之间增设有 TF 上连接板， 所述 TF 上连接板位于两 TF 线。
4、圈之间， 且所述 TF 上连接板 与两侧的连接板模块通过螺栓连接 ； 所述 TF 上连接板上开设有连通真空壳 （1） 内外的装卸 料口 （2） 。 2. 如权利要求 1 所述的次临界包层换料系统， 其特征在于 ： 所述真空壳 （1） 包含有内、 外两层， 所述装卸料口 （2） 的下侧扩展至内层， 装卸料口 （2） 的上侧扩展至真空壳 （1） 的上 接口 （6） 处， 并与原上接口 （6） 处的外附属屏蔽块 （7） 齐平 ； 在装卸料口 （2） 处的真空壳 （1） 内部设置的屏蔽块 （8） 与真空壳 （1） 相匹配， 所述屏蔽块 （8） 与装卸料口 （2） 的冷却管道通 过装卸料口 （2） 的侧。
5、壁通向上接口 （6） 。 3.如权利要求2所述的次临界包层换料系统， 其特征在于 ： 所述屏蔽块 （8） 的上部与装 卸料口 （2） 分别设为相互匹配的法兰面， 所述屏蔽块 （8） 在装卸料口 （2） 处通过螺栓与密封 环形成第一道密封 ； 所述屏蔽块 （8） 上方设置的金属板密封焊接于装卸料口 （2） 上形成第 二道密封。 4.如权利要求1至3之一所述的次临界包层换料系统， 其特征在于 ： 所述真空壳 （1） 上 设有壳外运输器和壳内运输器， 所述壳外运输器设于真空壳 （1） 上的装卸料口 （2） 处， 所述 壳外运输器包括长方形的壳体和可固定内外包层的机械臂 （3） ， 所述壳体连接于装卸。
6、料口 （2） 处， 所述机械臂 （3） 设于壳体内 ； 所述壳内运输器包括设于真空壳 （1） 内的偏滤器轨道 （13） 和上滑形轨道 （14） ， 所述偏滤器轨道 （13） 上匹配有下部系统 （17） ， 所述下部系统 （17） 上设置的电机驱动通过齿轮与偏滤器轨道 （13） 配合提供动力， 所述上滑形轨道 （14） 上匹 配有上部系统 （16） ， 所述上部系统 （16） 上设置有焊接机器人， 所述上部系统 （16） 与下部系 统 （17） 之间通过框架连接， 所述框架上设有可相对移动的主机器人 （15） 。 5. 如权利要求 4 所述的次临界包层换料系统， 其特征在于 ： 所述框架由六段框。
7、架块连 接而成， 其中每个框架块的高度为 1200mm ； 在上滑形轨道 （14） 上开设有在圆周上夹角为 20的开口。 6. 一种的采用权利要求 5 所述的次临界包层换料系统的换料方法， 其特征在于 ： 它包 括外包层入壳过程、 内包层入壳过程以及内部运输安装过程 ； 其中外包入壳过程为 ：（a） 、 机械臂 （3） 将外包层 （11） 旋转至合适角度 ；（b） 、 机械臂 （3） 将外包层 （11） 向下移至与周向 磁体接触 ；（c） 、 通过机械臂 （3） 将外包层 （11） 延其弯曲的方向向下旋转 ；（d） 、 继续下移外 包层 （11） 直至完全进入 ； 其中内包层入壳过程为 ：（a。
8、） 、 机械臂 （3） 将内包层 （12） 向下移至与周向磁体接触 ； （b） 、 通过机械臂 （3） 将内包层 （12） 向真空壳 （1） 内平移 ；（c） 、 通过机械臂 （3） 将内包层 （12） 向下平移至完全进入 ； 其中内部运输安装过程为 ： 内、 外包层进入真空壳 （1） 内后， 主机器人 （15） 逐段将其搭 建并压向真空壳 （1） 的内层壁上， 通过焊接机器人完成内外包层以及冷却剂管道的焊接。 权 利 要 求 书 CN 104134476 A 2 1/5 页 3 一种次临界包层换料系统及其换料方法 技术领域 0001 本发明涉及裂变聚变混合堆的设备技术， 尤其是一种基于 IT。
9、ER 的裂变聚变混合 堆次临界包层换料系统及其换料方法。 背景技术 0002 ITER 是一种磁约束聚变装置， 当其中的等离子体的温度和密度满足劳森判据就会 持续发生氘氚反应。 为了吸收聚变放出的能量， 并且保护真空壳和磁体， 需要在真空壳内布 置一层包层 （Blanket） 。包层分为两部分 ： 面对等离子体的第一壁和其后的屏蔽块， 其中第 一壁用于吸收从磁场中逃逸的离子和电子， 而屏蔽块用于吸收中子。 离子、 电子和中子的能 量在包层内沉积并被包层冷却系统带出真空腔。 0003 ITER 的主体 Tokamak 系统安放于圆柱形混凝土生物屏蔽井内， 进入 Tokamak 装置 有两种通道 。
10、： 一是圆柱体侧面上中下三层的 port 口， 主要用于安装真空壳内的各个装置和 各种等离子体加热、 电流驱动和各类探测器 ； 二是位于圆柱体顶部的的混凝土盖， 主要用于 各种大型装置比如磁体和真空壳的安装。Port 口的高度和宽度分别受到极向磁体 PF 和周 向磁体TF之间间距的制约， 因此换料的port口就只能设计为较小的尺寸， 只适合水平方向 运入的方式来安装小模块的能源包层。 0004 ITER 的包层设计为小模块的形式， 并且为其预留了贯穿生物屏蔽壳、 低温保持器、 冷屏和真空层的换料通道， 采用小模块， 整个包层的管汇复杂， 流阻大， 换热效率低 ； 包层换 料时， 由于模块众多，。
11、 使得总体的换料时间增加， 如有部分模块结构或功能缺陷， 需逐一排 查所有模块， 增加了换料难度。 发明内容 0005 本发明的发明目的在于 ： 针对上述存在的问题， 提供一种基于 ITER 的裂变聚变混 合堆次临界包层换料系统及其换料方法， 克服 ITER 小模块管汇复杂， 流阻大， 换热效率低， 及小模块换料方式的换料效率低， 换料过程复杂， 对长条形能源模块难以更换的缺点 ； 减小 了管内流体阻力， 增大了单个包层模块的流量， 提高了 ITER 裂变聚变混合堆次临界包层的 热交换能力 ； 降低了包层模块的安装难度， 有利于后期的检修、 维护以及换料。 0006 本发明采用的技术方案如下 。
12、： 本发明的次临界包层换料系统， 在真空壳上设有 18 个连接板， 所述连接板由相互对称 的两连接板模块螺栓连接而成， 在其中一个连接板的两个连接板模块之间增设有 TF 上连 接板， 所述 TF 上连接板位于两 TF 线圈之间， 且所述 TF 上连接板与两侧的连接板模块通过 螺栓连接 ； 所述 TF 上连接板上开设有连通真空壳内外的装卸料口。 0007 由于采用了上述结构， 为了充分利用聚变放出的 14MeV 中子， 基于 ITER 装置的裂 变聚变混合堆包层装有裂变材料， 使其不仅仅是 ITER 那样的屏蔽体， 而是一个能源产生装 置， 也称之为能源包层。能源包层大大放大了聚变能， 为了有效。
13、地将能源输出包层， 原来小 模块的包层及冷却系统的设计已满足不了需求， 能源包层将设计成长条形状， 以减小流阻、 说 明 书 CN 104134476 A 3 2/5 页 4 增大流量， 提高换热能力， 降低安装更换包层的难度， 但这样的设计无法通过 ITER 原有的 换料通道 equatorial port 进入到真空壳内， 因此采取将 TF 的上连接板 （UOIS） 位于两个 TF 线圈之间， 用于抵抗线圈间的力与力矩， 连接板 （UOIS） 所受到的力非常大， 因此应该避 免对其重复焊接。在 ITER 原来的设计中， 共有 18 个连接板 （UOIS） , 每个连接板 （UOIS） 分 。
14、为两个对称的部分， 也即连接板模块， 两部分之间通过螺栓进行连接。 为了能够清理出一条 换料通道， 需要对其中一个连接板 （UOIS） 进行改动。新设计的连接板 （UOIS） 为夹心结构， 中间的可拆卸连接板 （TF上连接板） 同左右两侧的连接板模块通过螺栓连接， 这种设计方案 满足连接板 （UOIS） 的结构强度需求， 同时不用重复焊接。本发明克服了 ITER 小模块管汇 复杂， 流阻大， 换热效率低， 及小模块换料方式的换料效率低， 换料过程复杂， 对长条形能源 模块难以更换的缺点 ； 减小了管内流体阻力， 增大了单个包层模块的流量， 提高了 ITER 裂 变聚变混合堆次临界包层的热交换能。
15、力 ； 降低了包层模块的安装难度， 有利于后期的检修、 维护以及换料。 0008 本发明的次临界包层换料系统， 所述真空壳包含有内、 外两层， 所述装卸料口的下 侧扩展至内层， 装卸料口的上侧扩展至真空壳的上接口处， 并与原上接口处的外附属屏蔽 块齐平 ； 在装卸料口处的真空壳内部设置的屏蔽块与真空壳相匹配， 所述屏蔽块与装卸料 口的冷却管道通过装卸料口的侧壁通向上接口。 0009 由于采用了上述结构， 在不与其他部件干涉的条件下， 尽可能的增加垂直投影面 积 ； 开口尽可能不使用焊接的方式连接， 同时要保证真空度和辐射屏蔽。由于真空壳包含 内外两层， 因此在扩大装卸料口的过程中保证每次只改变。
16、内层或者外层真空壳， 然后增大 两层真空壳之间肋板的厚度， 最大限度减少对结构强度的影响。装卸料口下侧的真空壳只 改变内层的真空壳， 这样就不会与TF的外连接板IOIS相干涉 ； 装卸料口上侧一直扩展到同 原上接口 （upper port） 的外附属屏蔽块相平齐， 这样就不会同 UOIS 和冷屏相干涉。由于 装卸料口占用了上接口 （upper port） 的外附属屏蔽块， 并且减少了两层真空壳之间的屏蔽 体， 因此需要专门设计一个屏蔽装置， 如图所示， 屏蔽体下部的外形同真空壳相匹配， 屏蔽 体和装卸料 port 的冷却管道通过上接口 （upper port） 的侧壁通向上接口 , 并被最终带。
17、出 Tokamak（托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器） 。 0010 本发明的次临界包层换料系统， 所述屏蔽块的上部与装卸料口分别设为相互匹配 的法兰面， 所述屏蔽块在装卸料口处通过螺栓与密封环形成第一道密封 ； 所述屏蔽块上方 设置的金属板密封焊接于装卸料口上形成第二道密封。 0011 由于采用了上述结构， 装卸料口的密封采用法兰密封加焊接密封， 装卸料口上端 加工出一个法兰端面， 同时屏蔽块上部也加工出一个相匹配的法兰面， 两者通过螺栓和密 封环进行第一道密封。在螺栓上方再用金属薄板通过密封焊接的方式进行第二道密封。通 过两道密封保证真空腔内部的真空度， 同时由于金属板只。
18、起密封的作用而不作为受力结 构， 可以对其进行重复焊接。 0012 本发明的次临界包层换料系统， 所述真空壳上设有壳外运输器和壳内运输器， 所 述壳外运输器设于真空壳上的装卸料口处， 所述壳外运输器包括长方形的壳体和可固定内 外包层的机械臂， 所述壳体连接于装卸料口处， 所述机械臂设于壳体内 ； 所述壳内运输器包 括设于真空壳内的偏滤器轨道和上滑形轨道， 所述偏滤器轨道上匹配有下部系统， 所述下 部系统上设置的电机驱动通过齿轮与偏滤器轨道配合提供动力， 所述上滑形轨道上匹配有 说 明 书 CN 104134476 A 4 3/5 页 5 上部系统， 所述上部系统上设置有焊接机器人， 所述上部系。
19、统与下部系统之间通过框架连 接， 所述框架上设有可相对移动的主机器人。 0013 由于采用了上述结构， 内外包层通过装卸料口进入到真空壳内分为两个过程 ： 壳 外运输和壳内运输。由于包层为长条形， 为了保持运输过程的平稳， 壳外运输系统为一长 方形壳体， 壳体可以用行吊车通过三组吊点吊运， 包层被固定在壳体内的机械臂上， 而壳体 本身依靠 TF 的连接板 （UIOS） 进行定位和固定， 包层进入真空壳内后需要壳内运输系统把 包层从装卸料口运到最终的安装位置， 并且完成安装动作和冷却剂管道的焊接。内换料系 统分为三个部分， 底部的机器人、 同偏滤器结构类似， 因此可以直接通过下装卸料口直接进 入。
20、。 利用偏滤器轨道运动， 采用步进电动机驱动的齿轮提供动力， 主要的作用是支撑换料系 统的重量、 利用机械臂焊接下部的冷却剂管道 ； 上部的系统同ITER原有的IVT类似， 包括轨 道、 轨道支撑系统和机器人系统， 上部系统主要的作用是辅助导向和利用机械臂焊接顶部 的冷却剂管道。主机器人利用框架上下移动， 负责挟持包层和把包层固定到内层壁上。 0014 本发明的次临界包层换料系统， 所述框架由六段框架块连接而成， 其中每个框架 块的高度为 1200mm ； 在上滑形轨道上开设有在圆周上夹角为 20的开口。 0015 由于采用了上述结构， 下两个机器人通过六段框架结构连接成一个整体， 共同环 向。
21、运动， 负责把包层从装卸料口运送到指定位置。 单独的每个框架高度为1200mm， 可以通过 下 port 进入并利用主机器人逐段搭建 ； 其中轨道预留 20 度角的开口， 用于包层的进出。 0016 本发明的次临界包层换料系统的换料方法， 包括外包层入壳过程、 内包层入壳过 程以及内部运输安装过程 ； 其中外包入壳过程为 ：（a） 、 机械臂将外包层旋转至合适角度 ； （b） 、 机械臂将外包层向下移至与周向磁体接触 ；（c） 、 通过机械臂将外包层延其弯曲的方 向向下旋转 ；（d） 、 继续下移外包层直至完全进入 ； 其中内包层入壳过程为 ：（a） 、 机械臂将内包层向下移至与周向磁体接触 。
22、；（b） 、 通过机 械臂将内包层向真空壳内平移 ；（c） 、 通过机械臂将内包层向下平移至完全进入 ； 其中内部运输安装过程为 ： 内、 外包层进入真空壳内后， 主机器人逐段将其搭建并压向 真空壳的内层壁上， 通过焊接机器人完成内外包层以及冷却剂管道的焊接。 0017 由于采用了上述方法， 可通过远程控制机械臂和机器人， 实现对整个换料系统的 远程控制， 保证操作人员的安全， 降低了包层模块的安装难度， 有利于后期的检修、 维护以 及换料。 0018 综上所述， 由于采用了上述技术方案， 本发明的有益效果是 ： 1、 本发明的次临界包层换料系统及其换料方法， 克服 ITER 小模块管汇复杂，。
23、 流阻大， 换热效率低， 及小模块换料方式的换料效率低， 换料过程复杂， 对长条形能源模块难以更换 的缺点 ； 2、 本发明的次临界包层换料系统及其换料方法， 减小了管内流体阻力， 增大了单个包 层模块的流量， 提高了 ITER 裂变聚变混合堆次临界包层的热交换能力 ； 降低了包层模块的 安装难度， 有利于后期的检修、 维护以及换料。 附图说明 0019 本发明将通过例子并参照附图的方式说明， 其中 ： 图 1 和图 2 是本发明中设有壳输送系统的真空壳的示意图 ； 说 明 书 CN 104134476 A 5 4/5 页 6 图 3 是本发明中真空壳的局部示意图 ； 图 4 是本发明中装卸料。
24、口的密封结构 ； 图 5、 图 6 和图 7 是本发明中外包层入壳的过程图 ； 图 8、 图 9 和图 10 是本发明中内包层入壳的过程图 ； 图 11 和图 12 是本发明中壳内运输系统的示意图。 0020 图中标记 ： 1- 真空壳， 2- 装卸料口， 3- 机械臂， 4- 连接板， 5- 壳外运输系统， 6- 上 接口， 7- 附属屏蔽块， 8- 屏蔽块， 9- 螺栓与法兰面， 10- 密封条， 11- 外包层， 12- 内包层， 13- 偏滤器轨道， 14- 上滑形轨道， 15- 主机器人， 16- 上部系统， 17- 下部系统。 具体实施方式 0021 本说明书中公开的所有特征， 或。
25、公开的所有方法或过程中的步骤， 除了互相排斥 的特征和 / 或步骤以外， 均可以以任何方式组合。 0022 本说明书 （包括任何附加权利要求、 摘要） 中公开的任一特征， 除非特别叙述， 均可 被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。 即， 除非特别叙述， 每个特征只是一系列 等效或类似特征中的一个例子而已。 0023 如图 1 至图 12 所示， 本发明的次临界包层换料系统， 在真空壳 1 上设有 18 个连接 板 4， 所述连接板 4 由相互对称的两连接板模块螺栓连接而成， 其特征在于 ： 在其中一个连 接板 4 的两个连接板模块之间增设有 TF 上连接板， 所述 TF 上连接板位于两。
26、 TF 线圈之间， 且所述 TF 上连接板与两侧的连接板模块通过螺栓连接 ； 所述 TF 上连接板上开设有连通真 空壳 1 内外的装卸料口 2。其中所述真空壳 1 包含有内、 外两层， 所述装卸料口 2 的下侧扩 展至内层， 装卸料口 2 的上侧扩展至真空壳 1 的上接口 6 处， 并与原上接口 6 处的外附属屏 蔽块 7 齐平 ； 在装卸料口 2 处的真空壳 1 内部设置的屏蔽块 8 与真空壳 1 相匹配， 所述屏蔽 块 8 与装卸料口 2 的冷却管道通过装卸料口 2 的侧壁通向上接口 6。其中所述屏蔽块 8 的 上部与装卸料口 2 分别设为相互匹配的法兰面， 所述屏蔽块 8 在装卸料口 2。
27、 处通过螺栓与 密封环形成第一道密封 ； 所述屏蔽块 8 上方设置的金属板密封焊接于装卸料口 2 上形成第 二道密封。其中所述真空壳 1 上设有壳外运输器和壳内运输器， 所述壳外运输器设于真空 壳 1 上的装卸料口 2 处， 所述壳外运输器包括长方形的壳体和可固定内外包层的机械臂 3， 所述壳体连接于装卸料口2处， 所述机械臂3设于壳体内 ； 所述壳内运输器包括设于真空壳 1 内的偏滤器轨道 13 和上滑形轨道 14， 所述偏滤器轨道 13 上匹配有下部系统 17， 所述下 部系统 17 上设置的电机驱动通过齿轮与偏滤器轨道 13 配合提供动力， 所述上滑形轨道 14 上匹配有上部系统16， 。
28、所述上部系统16上设置有焊接机器人， 所述上部系统16与下部系统 17 之间通过框架连接， 所述框架上设有可相对移动的主机器人 15。其中所述框架由六段框 架块连接而成， 其中每个框架块的高度为 1200mm ； 在上滑形轨道 14 上开设有在圆周上夹角 为 20的开口。 0024 本发明的次临界包层换料系统的换料方法， 它包括外包层入壳过程、 内包层入壳 过程以及内部运输安装过程 ； 如图5至图7所示， 其中外包入壳过程为 ： a、 机械臂3将外包层11旋转至合适角度 ； b、 机械臂 3 将外包层 11 向下移至与周向磁体接触 ； c、 通过机械臂 3 将外包层 11 延其弯曲的 方向向下。
29、旋转 ； d、 继续下移外包层 11 直至完全进入 ； 说 明 书 CN 104134476 A 6 5/5 页 7 如图 8 至图 10 所示， 其中内包层入壳过程为 ： a、 机械臂 3 将内包层 12 向下移至与周向 磁体接触 ； b、 通过机械臂3将内包层12向真空壳1内平移 ； c、 通过机械臂3将内包层12向 下平移至完全进入 ； 如图11和图12所示， 其中内部运输安装过程为 ： 内、 外包层进入真空壳1内后， 主机器 人15逐段将其搭建并压向真空壳1的内层壁上， 通过焊接机器人完成内外包层以及冷却剂 管道的焊接。 0025 综上， 本发明的次临界包层换料系统及其换料方法， 克服。
30、 ITER 小模块管汇复杂， 流阻大， 换热效率低， 及小模块换料方式的换料效率低， 换料过程复杂， 对长条形能源模块 难以更换的缺点 ； 减小了管内流体阻力， 增大了单个包层模块的流量， 提高了 ITER 裂变聚 变混合堆次临界包层的热交换能力 ； 降低了包层模块的安装难度， 有利于后期的检修、 维护 以及换料。 0026 本发明并不局限于前述的具体实施方式。 本发明扩展到任何在本说明书中披露的 新特征或任何新的组合， 以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 说 明 书 CN 104134476 A 7 1/11 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 104134476 A 。
31、8 2/11 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 104134476 A 9 3/11 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104134476 A 10 4/11 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 104134476 A 11 5/11 页 12 图 6 说 明 书 附 图 CN 104134476 A 12 6/11 页 13 图 7 说 明 书 附 图 CN 104134476 A 13 7/11 页 14 图 8 说 明 书 附 图 CN 104134476 A 14 8/11 页 15 图 9 说 明 书 附 图 CN 104134476 A 15 9/11 页 16 图 10 说 明 书 附 图 CN 104134476 A 16 10/11 页 17 图 11 说 明 书 附 图 CN 104134476 A 17 11/11 页 18 图 12 说 明 书 附 图 CN 104134476 A 18 。