DB34 T 3441-2019 聚变堆真空室结构设计准则.pdf

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1、ICS 27.120.99 F 60 DB34 安徽省地方标准 DB 34/T 34412019 聚变堆真空室结构设计准则 Design criteria for vacuum vessel structure of fusion reactor 文稿版次选择 2019 - 11 - 04 发布 2019 - 12 - 04 实施 安徽省市场监督管理局 发布 DB34/T 34412019 I 前 言 本标准按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。 本标准由中国科学院等离子体物理研究所提出。 本标准归口单位：安徽省核聚变工程技术及应用标准化技术委员会。 本标准起草单位：中国科学院等离

2、子体物理研究所、安徽省质量和标准化研究院。 本标准主要起草人：宋云涛、陆坤、覃世军、汪青峰、黄素贞、程鸣、徐壮。 DB34/T 34412019 1 聚变堆真空室结构设计准则 1 范围 本标准规定了聚变堆真空室结构设计的术语和定义、系统及设计要求和结构设计要求。 本标准适用于托卡马克聚变堆真空室的结构设计。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 4237 不锈钢热轧钢板和钢带 DB34/T 2734.1-2016 托卡马克聚变堆部件 兼容性设

3、计与评估技术指南 第1部分：设计 BS EN 10088-1 不锈钢 第1部分 ：不锈钢的系列（Stainle ss steels-Part1:List of stainless steels） RCC-MR-2007 液态金属快中子增殖堆核岛机械设备设计和建造规则（Design and construction rules for mechanical componenets of nuclear installations） 3 术语和定义 DB34/T 2734.1-2016 界定的以及下术语和定义适用于本文件。 3.1 电磁载荷 electromag netic load 在发生瞬态事

4、件（如等离子体破裂、垂直位移事件和磁体失超）时，电流切割磁场线产生洛伦兹力 而导致的载荷，该载荷通过内部部件的支撑结构作用在真空室内壁上。 3.2 真空室窗口 vacuum vessel port 在真空室外壳体上开一定尺寸的孔，并在孔的末端用窗口领圈来过渡到窗口颈管，在颈管最外端用 法兰密封，真空室窗口可用于安装设备、连通引线、抽真空或维护真空室内部部件。 3.3 真空室烘烤 vacuum vessel baking 对真空室壁进行 200350之间的烘烤处理，以除去真空室中的水汽以及其他气体杂质。 3.4 边界局域模 edge localised mode DB34/T 34412019

5、2 托卡马克中高性能模式（H 模）的独特现象，当 H 模边界输运垒的梯度超过磁流体动力学稳定性 极限时，ELM 不稳定性开始爆发性增长，迅速将能量和粒子输运至刮削层和材料表面。 3.5 刮削层 scrape-o ff layer 等离子体位于最外层封闭磁面与开放磁面之间的位置。 3.6 中性束加热窗口 heating neut ral beam port 为等离子体中性束加热和电流驱动、诊断提供入口的窗口。 3.7 中子屏蔽层 inner wall shielding 真空室双层壳体之间填充的所有屏蔽插件和相关支撑结构组成的环形空间结构体。 4 系统及设计要求 4.1 系统组成 组成托卡马克类

6、型的聚变堆真空室由真空室主体、窗口和支撑结构三部分组成，如图1 所示。真空 室主体结构由接缝区、筋板、外壳体、内壳体等组成，窗口结构由窗口颈管、窗口接缝区、窗口领圈等 组成，支撑结构由铰链、支撑块等组成。 上窗口 中窗口 下窗口 外壳体 内壳体 接缝区 窗口颈管 窗口领圈 筋板 窗口接缝区 支撑结构 包层 偏滤器 图1 聚变堆真空室 45扇区概念设计模型 4.2 真空室系统功能 DB34/T 34412019 3 4.2.1 提供产生和维护高质量真空的坚固边界，限制杂质进入等离子体。 4.2.2 移除核热。 4.2.3 支撑真空室内部部件及其引起的机械载荷。 4.2.4 参与中子防护。 4.2

7、.5 提供一个等离子体磁流体动力学稳定的连续导体壳。 4.2.6 通过窗口为诊断系统、加热系统、抽气系统、水管等提供接近等离子体的通道。 4.2.7 为氚和活化灰尘提供第一道约束壁垒。 4.2.8 为超导线圈提供辐射屏蔽功能。 4.2.9 真空室内外壳体间插入中子屏蔽层来减少环向场波纹度。 4.3 真空室系统边界和接口 4.3.1 内部部件支撑结构与真空室内壁接口。 4.3.2 窗口颈管端部法兰密封板与真空窗口插件接口。 4.3.3 窗口颈管端部有对接法兰的接口用来连接遥操作小车接口。 4.3.4 窗口法兰密封板与窗口颈管法兰接口。 4.3.5 真空室冷却水的管接口。 4.3.6 真空室内部和

8、真空室夹层排水管线的管接口。 4.3.7 包层模块管路在上窗口颈管过渡段的接口。 4.3.8 偏滤器水冷管路在偏滤器窗口颈管过渡段的接口。 4.3.9 真空室支撑系统和杜瓦的连接口。 4.3.10 真空室与包层和偏滤器支撑结构的可重复焊接的接口。 4.3.11 真空室接缝区与真空室壳体的接口。 4.4 真空室材料 4.4.1 材料选择 316L(N)-IG 不锈钢被选为未来聚变堆真空室的主要材料，其他材料见表1。 表1 用于真空室和内屏蔽层的材料 项目 材料 注释 真空室主体 钢 316L(N)-IG 应符合 RCC-MR 2007 的要求 无冷却窗口组件 钢 316L(N)-IG 钢 304

9、L(22Cr19Ni10) 钢 304(06Cr19Ni10) 钢 304 和钢 304L 应符合 GB/T 4237 的要求 316L(N)-IG 应满足 RCC-MR 2007 的要求 支撑结构 钢 316L 应符合 GB/T 4237 的要求 螺栓 718 镍合金或 660 钢 应符合 BS EN 10088-1 的要求 中子屏蔽层 304B4 不锈钢、304B7 不锈钢 430 不锈钢 应符合 RCC-MR 2007 的要求 4.4.2 真空室材料要求 4.4.2.1 真空室内表面和冷屏的一侧面所需的表面粗糙度应不小于 6.3 m，其他没有暴露在超高真空 环境下零部件表面粗糙度宜采用

10、9 m。真空室外侧表面发射率应低于 0.3，以减少通过热辐射从真空 室向冷屏传递的热量。 4.4.2.2 应根据聚变堆设计需求选用合适的高电阻率和低磁导率的无磁材料作为真空室结构材料。 DB34/T 34412019 4 4.4.2.3 聚变堆真空室材料应通过合理的机械加工工艺、焊接工艺和适宜温度的烘烤等工艺结合使用 以满足聚变堆真空室要求的材料低出气率要求。 4.5 真空室烘烤和干燥 4.5.1 真空室烘烤时要求烘烤温度应为 200350。 4.5.2 真空室的冷却水在检查和维修时应充分排出和干燥，通过真空室主换热系统执行此工况时进行 排水操作、加热操作和干燥操作这三项步骤。 4.6 装配与

11、现场检查 4.6.1 真空室装配 真空室扇区应在工厂加工焊接，在每个扇区上宜有完整的上、中、下窗口。装配完成后扇区应被平 放固定运至总装现场，与两个环向场线圈套装，且扇区间的定位误差应小于3 mm。 4.6.2 现场检查 4.6.2.1 总装前应对所有运抵总装现场的真空室关键部件进行检查，确定尺寸精度是否合格以继续装 配工作。 4.6.2.2 装置正式运行后的真空室拆、装工作应借助遥操作工具来完成，并需要制定相应工序及流程。 5 结构设计要求 5.1 真空室主体结构设计 5.1.1 总则 真空室主体结构是环形、双层壳体结构，其中双层壳体间充满具有屏蔽功能的冷凝水。真空室应由 内外壳体、筋板、中

12、子屏蔽层、接缝区等组成，如图1 所示。 5.1.2 设计要求 5.1.2.1 真空室沿环向根据需要被分割为多个扇区，接缝区被用于连接每个扇区，最终焊接成环，通 过调整接缝区的尺寸，满足相邻扇区的装配误差要求。 5.1.2.2 真空室主体上应设计开口与窗口领圈焊接连接；包层模块、偏滤器模块支撑结构应焊接真空 室内壁上；ELM 线圈应独立安装和支撑在真空室内壁上。 5.2 真空室中子屏蔽层结构设计 5.2.1 总则 应根据聚变堆的需求是否采用。材料宜使用 304B4 不锈钢和 304B7 不锈钢，两者硼元素的含量不 同，高场侧中子流大，宜采用硼元素含量高的 304B7。 5.2.2 设计要求 5.

13、2.2.1 中子屏蔽层通过螺栓连接在环向支撑筋板上，而环向支撑筋板通过焊接固连在真空室极向筋 板上。所有板块尺寸尽量一致，利于批量化生产。上、中、下窗口附近的屏蔽层宜使用不锈钢球进行加 注填充。 DB34/T 34412019 5 5.2.2.2 在真空室低场侧区域中子屏蔽层应采用铁磁性插件结构，其材料宜使用 430 不锈钢，为减小 环向波纹度。 5.3 真空室窗口结构设计 5.3.1 总则 真空室窗口结构设计模型如图1 所示，窗口包含有窗口领圈，接缝区和窗口颈管。窗口颈管与窗口 领圈通过接缝区焊接在一起。窗口颈管端部应采用法兰结构与密封板通过螺栓连接，部分窗口采用双层 结构；双层壳体间应设有

14、加强筋，部分窗口采用单层结构。 5.3.2 上窗口结构设计 上窗口横截面宜采用梯形截面设计，方向宜为竖直向上，上窗口结构宜为单层结构。窗口颈管与窗 口插件一起被冷却/烘烤，对于窗口颈管冷却及烘烤，宜采用被动方式。 5.3.3 中窗口结构设计 5.3.3.1 一般要求 中窗口横截面宜采用矩形截面，中窗口结构宜为双层结构，双层壳体之间应设计加强筋。主要包括 常规的水平窗口设计、中性束加热窗口设计和加热诊断窗口设计。窗口颈管应装配接口法兰，连接杜瓦 和波纹管。 5.3.3.2 常规水平窗口结构设计 窗口宜设计为放射状，窗口内部部件和密闭板与窗口插线结合在一起，插线采用悬臂支撑，支撑位 于窗口颈管的底

15、部。窗口插线与窗口颈管应设置一定值的法向间隙。 5.3.3.3 中性束加热窗口结构设计 中性线束加热窗口的朝向应与径向轴成一定的夹角。 5.3.3.4 加热诊断窗口结构设计 加热诊断窗口宜采用辐射状，诊断结构应在窗口顶部被合并。 5.3.4 下窗口结构设计 5.3.4.1 一般要求 下窗口横截面宜采用梯形截面设计，下窗口结构宜为双层结构，双层壳体之间应设计加强筋。窗口 领圈应是向下倾斜一定角度，在窗口颈管伸出环向场线圈部分宜采用水平结构。 5.3.4.2 用于遥操作或诊断的下窗口结构设计 窗口领圈端部被扩大，旨在满足诊断设备和偏滤器管道的使用需求，窗口领圈部分应配有导轨，用 于偏滤器遥操作运输

16、，且位于窗口颈管部分导轨应设计为可拆卸式。 5.3.4.3 底部低温泵窗口结构设计 用于真空泵、气体注入和管路系统布线，与窗口焊接的抽气管路为一个单层结构，并安装有用于维 持所需的运行温度的设备。 DB34/T 34412019 6 5.4 真空室支撑系统设计 5.4.1 总则 5.4.1.1 用于承载真空室本体、内部部件及诊断的重量。 5.4.1.2 真空室支撑在可能出现的负载情况下，真空室及内部部件应满足极限安全地震要求，且允许 径向热膨胀温度范围从正常工况下的 100到烘烤工况下的 200。 5.4.2 设计要求 5.4.2.1 真空室支撑应为双铰链式，一般由主铰链、副铰链、上支撑块和下

17、支撑块组成，如图 2 所示。 5.4.2.2 主铰链限制真空室的向上、向下及环形移动。 5.4.2.3 副铰链与上、下支撑块相连且限制竖直向下的载荷。 5.4.2.4 主铰链靠近机械中心并提供径向反作用力。 5.4.2.5 主铰链通过销钉与上、下支撑块相连，上支撑块通过螺栓与下窗口连接，上支撑块上应有径 向槽和楔形槽。 5.4.2.6 下支撑块通过螺栓连接到杜瓦的环形底座，下支撑块上应设有径向槽和楔形槽。 副铰链 下支撑块 主铰链 上支撑块 图2 聚变堆支撑结构图 5.5 真空室冷却系统设计 5.5.1 冷却系统设计 5.5.1.1 真空室主换热系统宜为单独的冷却回路。需针对不同的装置真空室尺

18、寸详细设计真空室冷却 和烘烤的条件。 5.5.1.2 真空室冷却回路设计如图 3 所示， 冷却水管宜采用主回路+并联支路设计。 单个真空室扇区内、 外壳体和两侧竖筋板构成密封的腔体结构，腔体结构中充入具有屏蔽功能的冷却水，每道横筋板中分别 设有通孔，使冷却水流构成回路。 DB34/T 34412019 7 出口 入口 冷 却 水 流 向 图3 聚变堆真空室水冷流向图 5.5.2 冷却系统流程布置 5.5.2.1 下窗口颈管和真空室扇区宜分开冷却，中窗口和上窗口的窗口颈管与窗口插件宜采用串联方 式并通过包层水来冷却的。 5.5.2.2 真空室在烘烤工况下冷却水进口温度宜采取 200， 在正常运行

19、工况下入口温度宜采取 70。 5.5.2.3 冷却水在维修检查时应排干，且冷却管道可通过干燥系统通入热空气对真空室进行干燥处理。 5.5.3 正常工况下的冷却 5.5.3.1 为了保持真空容器在热应力作用下的结构完整性，真空室内部部件的设计应使真空室内壳体 上的核热小于 0.4 MW m -3 ，应通过调节冷却水的质量流量使传热系数大于 500 W m -2 K -1 ，以强制对流方式 冷却为主，以自然对流方式冷却为辅。 5.5.3.2 应保持水管应力在许用应力范围之内，冷却水进口压力选择为避免水沸腾的最小压力。 5.5.4 非正常工况下的冷却 主要热负荷来自包层和偏滤器的热辐射，应采用强制对

20、流方式移除热负荷。 5.6 焊缝和焊接接头设计 与真空室相关的结构焊缝应为焊透型结构。特 有的焊缝结合形式有对接焊、V 型或者 K 型坡口角 焊： a) 应有十字交叉焊缝存在，且焊缝间距应大于下列两个值中的较小者： 1) 壳体厚度的两倍； 2) 40 mm。 b) 应保证主焊缝边缘到开孔或焊接边缘的距离大于以下两个值的较小者： 1) 2 倍的较厚焊件的厚度； 2) 40 mm。 DB34/T 34412019 8 c) 在焊接情况下，利用射线或者超声波检测方式进行检测，要求 a 和 b 上焊缝之间的最小距离可 被以下较大者替换： 1) 1.5 倍的较厚焊件的厚度； 2) 40 mm。 d) 在

21、无法运用上述 a, b 和 c 时，为保证满足装配质量，应提交一份报告以证实所采取的措施正 确，并解释选择该措施的理由； e) 应使焊缝远离主要几何不连续区； f) 在设备设计制造和装配阶段应保证内部可达性，满足有关制造和无损检测要求； g) 装置要满足压力设备设计标准 RCC-MR 2007 附录 A18 要求，对耐压性的永久性组件及焊接接 头应做整体检查以使焊接接头系数等于 1。 5.7 真空室压力测试 真空室属涉核压力装置，在进行压力设备的最终评定时，应在真空室装配完成后采用静压对整个真 空室及窗口进行最终测试。 静压检测的压力应按式（1）取值： . (1) 式中： P T 静压检测压力

22、 ； P S 最大设计压力； S m (T test ) 室温测试下的 Sm 值； S m (T design ) 烘烤工况下的 Sm 值。 5.8 泄漏测试 5.8.1 真空漏率测试要求 真空室等离子体侧与杜瓦侧的允许漏率应符合表2 的规定， 真空室等离子体侧与杜瓦侧的整体漏率 均应小于 1 10 -8 P a m 3 s -1 ，灵敏度应比最大漏率高一个数量级。加工及装配过程中的部件允许漏率总结 如表3 所示。 表2 真空室允许漏率 部件 数量 总体允许漏率 （Pa m 3 s -1 ） 等离子体侧 等离子体侧 真空室主体 45 度扇区 8 110 -9 110 -9 真空室整环 1 11

23、0 -9 110 -9 真空室整环加窗口 1 110 -8 110 -8 DB34/T 34412019 9 表3 加工及装配过程中的部件允许漏率 泄漏测试 检测面 允许漏率 （Pa m 3 s -1 ） 工厂测试 真空室扇区 真空室内外壳 110 -9 现场测试 真空室扇区间接头 打底焊后的外壳 110 -9 满焊后的外壳 打底焊后的内壳 满焊后的内壳 整体测试（试运行） 真空室整环加窗口 内壳包括窗口结构 110 -8 外壳包括窗口结构 110 -8 5.8.2 真空室测试流程 5.8.2.1 烘烤。 5.8.2.2 烘烤并冷却至室温后的漏率测试。 5.8.2.3 出气率及残余气体分析。

24、5.8.3 真空室扇区整体漏率的测试方法 将整个扇区置于充有氦气的聚乙烯密封袋内，通过对真空室的双层壳体进行抽真空来进行漏率检 测。在真空室烘烤过程中应实时检测真空室内表面的残余气体成分。 5.9 渗水测试 5.9.1 在真空室投入运行之前，应进行渗水测试。 5.9.2 其中包层冷却管路，偏滤器冷却管路，真空室壳体为最重要测试部件。 5.10 测量和监测 5.10.1 真空室测量应基于被动系统，对真空室的监测包括真空室及冷却水温度、冷却水压力、真空室 变形、真空室局部应力。 5.10.2 宜采用热电偶对真空室主体、支撑结构、冷却回路、窗口上的温度分布进行测量。 5.10.3 宜采用应变片和加速度传感器对真空系统的静态、动态运动和变形进行监测和评估。 _