ITER屏蔽块真空热氦检漏装置热工水力学设计与分析.PDF

第 37 卷 第 3 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.37, No.3 2 0 1 7 年 9 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics Sep. 2017 文章编号：0254−6086(2017)03−0297−05 DOI: 10.16568/j.0254-6086.201703009 ITER 屏蔽块真空热氦检漏装置 热工水力学设计与分析 冷 桢，康伟山，谌继明 (核工业西南物理研究院，成都 610041) 摘 要：对 ITER 包层屏蔽块进行了热工水力学设计及分析，并给出了两套合理的加热方案。分析结果表明， 可以通过分阶段改变入口气体温度的方法实现在高效加热屏蔽块的同时满足工程及部件热应力的技术要求，并通 过热应力计算验证了加热过程不会对屏蔽块产生不可预期的结构破坏。 关键词：ITER 屏蔽块；热氦检漏装置；热工水力学计算；热应力计算 + 中图分类号：TL62 6 文献标志码：A 1 引言 造工期要求。为解决该问题，需改进加热和冷却方 屏蔽包层屏蔽块是ITER重要的组成部分，位于 式。除传统辐射加热和随炉热辐射冷却方式外，借 真空室与第一壁板之间，它的基本功能是对中子和 用部件内部冷却通道，采用高速流动气体(考虑到气 [1] 体成本和不影响后续氦检漏准确性，采用氮气)与管 热进行屏蔽，对真空室和外部设备起到保护作用 。 ITER的包层屏蔽块总共有440个模块，中方承担其 道壁间的强制对流传热，实现快速加热和冷却屏蔽 中约50%屏蔽块的生产与制造，共计220块。屏蔽块 块，将不失为一种提高试验检测效率的途径。 属于ITER真空等级VQC-1A类部件，在完成制造、 由于超高的部件整体漏率精度要求及复杂的 水压试验及烘烤之后，需要对其进行高温高压下的 氦检漏流程，该真空热氦检漏设备目前在全球都无 真空热氦检漏试验，以验证屏蔽块正常工作条件下 现成设备可以借鉴。韩国虽在 2014 年完成了屏蔽 [2] 块全尺寸原型件的制造，但仅对其进行了冷氦检 的密闭性和可靠性 。 试验时，部件需经历一次高温循环(80 ℃至 漏，未按 ITER 要求进行完整的氦检漏试验[4] ，并 250±20 ℃再至80 ℃)和冷却通道内部氦气压力的 不具备参考价值，中方仍需自行研发该设备。 多次循环(100Pa至4.2±0.2MPa) ，其中需进行1次高 理论上，为提高屏蔽块加热冷却效率，可以通 温氦检漏和2次低温氦检漏，整个过程中，部件整 过加大氮气的进口流量、压强和控制入口温度，对 −10 3 −1 [3] 模块进行快速加热和冷却；但另一方面，如果模块 体漏率需≤1×10 Pa⋅m ⋅s 。中方需根据此要求研 制一套ITER屏蔽块真空热氦检漏装置。 试验过程中加热冷却过快，可能导致温度梯度过 在真空环境下，将部件从常温加热至 250℃再 大，热应力过高，从而可能对模块造成疲劳损害， 冷却至常温的过程如果仅通过热辐射进行加热和 设计中应该尽量避免这种损害，在检测效率和模块 冷却，预计单个屏蔽块的热氦检验耗时将长达十天 安全性之间取得平衡。IT