用于检测聚变装置连接部件气密性的热冲击实验装置

技术领域

本发明属于磁约束核聚变领域，具体涉及聚变装置中的连接部件实验检测装置

背景技术

聚变装置设计中，一些结构均会设计相应的连接部件。以真空室内的偏滤器部件为例，其承受大量高温等离子体的热冲击，防止偏滤器结构因热量沉积而被烧毁，需将其热量迅速带至真空室外，故偏滤器结构必须采用主动冷却方式。为满足等离子体物理空间需求，偏滤器结构空间通常较为紧凑，冷却回路通常只能在狭小通道中设计。因此，在偏滤器冷却回路结构设计过程中，考虑到偏滤器冷却管路易于安装维护与拆卸需求时，不可避免会设计一部分活动的连接接头，如VCR接头、卡套接头、对接法兰等。同时，偏滤器冷却回路中防止去离子水过热而汽化，通常运行时压力均较高，如ITER管道内压力在4.0MPa左右。

同时，对于磁约束核聚变中，为提高等离子体运行环境，在运行前期需对真空室及其内部件进行高温烘烤，以除去真空室内杂质气体。对于目前设计的HL-2M磁约束核聚变装置来说，烘烤温度最高可达350℃。在如此高的温度下且经过多次循环热负荷的作用后，对于前述中的活动连接接头通常没有相关数据可证明其气密性是否可以满足设计需求。

为保证磁约束核聚变装置中的高温高压连接部件适用于在高真空环境下满足其气密性需求，需要设计出一套可用于模拟等离子体运行环境中的热冲击实验装置，用于验证与优化磁约束核聚变装置中关键连接部件的结构设计。目前国内尚无类似高温高压部件高真空环境下的气密性实验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于检测聚变装置连接部件气密性的热冲击实验装置，其可用于模拟等离子体运行环境，进而验证与优化磁约束核聚变装置中关键连接部件的结构设计。

本发明的技术方案如下：

用于检测聚变装置连接部件气密性的热冲击实验装置，包括真空室及加热测量组件、与真空室及加热测量组件连接的涡轮分子泵和储气罐、与涡轮分子泵连接的检漏仪和机械泵，以及与储气罐组件连接的氦气气瓶；

所述的真空室及加热测量组件包括真空室本体、位于真空室本体一侧的法兰、位于法兰外侧中心处的带穿透水管法兰，以及通过带穿透水管法兰安装的、主体位于真空室本体内部的两段不锈钢管；所述的两段不锈钢管通过金属软管连接，其中一个不锈钢管上安装被测连接部件。

所述的真空室本体内设有铁锆铝合金电阻丝，其通过电阻丝固定夹具固定在多层不锈钢薄板结构上，真空室本体与铁锆铝合金电阻丝之间设有不锈钢薄板结构，其固定于真空室本体的内壁。

所述的两段不锈钢管的端部分别设有气阀和泄压阀。

所述的真空室本体沿着径向方向加工有预留垂向窗口和预留横向窗口，预留垂向窗口的开口位于真空室本体的上部或下部，预留横向窗口的两个开口分别位于真空室本体的前部或者后部。

所述的真空室本体的尾部设有尾部封头，其上设有电极和热电偶。

所述的真空室本体上部设有皮拉尼真空计和超高真空B-A规。

所述的真空室本体后部还安装有截止阀。

包括支撑架，所述的支撑架上固定设有真空室支撑，所述的真空室本体设于真空室支撑上。

所述支撑滑轨包括滑轨支撑、滑轨夹块、滑轨和支撑梁；所述的滑轨支撑对称设于真空室本体上，滑轨固定设于滑轨支撑上，滑轨夹块设于滑轨上，所述的支撑梁一端与滑轨夹块固定连接，另一端与法兰固定连接；

所述的支撑滑轨包括位于滑轨端部的支撑滚轮，其位于支撑梁与法兰固定连接的一端下方。

本发明的显著效果如下：用于检测聚变装置连接部件气密性热冲击的实验装置采用内加热方式，加热性能较好且隔热效果俱佳，结构灵活，可增加机械负载，实现多场耦合运行。由于被测连接部件加热温度高，超高真空等特点，其可用于磁约束核聚变装置或其他相关技术领域中的高温高压被测连接部件在高真空环境下的气密性研究，可积累该条件下的基础实验数据，有效推动国内外在高温高真空技术的发展。

真空室及加热测量组件设计的垂向窗口和横向窗口可提高结构灵活性和利用率；真空室内的管道回路采用模块化设计方式，将其被测连接部件、不锈钢管、压力表以及泄压阀等单元结构集成一体至端面法兰，易于安装维护和拆卸。

设计管道回路中的金属软管，用于将安装与拆卸被测连接部件的往复形变吸收。

真空室法兰离热源相对较近，采用双密封结构，满足不同温度工况需求，且该法兰自身较重，不易于实验时安装拆卸，故将其固定至滑轨支撑，其滑轨支撑固定至真空室本体上端对称两侧。

加热系统中的铁锆铝合金电阻丝位于真空室内，电阻丝与真空室之间利用多层不锈钢薄板进行热屏蔽，提高热利用率及实验运行安全性，即防止真空室表面温度过高而烫伤实验人员。

附图说明

图1为用于检测聚变装置连接部件气密性的热冲击实验装置示意图；

图2为真空室及加热测量组件与地面垂直方向的纵向剖面示意图。

图3为真空室及加热测量组件与地面平行方向的纵向剖面俯视图；

图4为支撑滑轨示意图；

图中：1.真空室及加热测量组件；2.尾部封头；3.涡轮分子泵；4.储气罐；5.支撑架；6.机械泵；7.检漏仪；8.氦气气瓶；9.支撑滑轨；10.皮拉尼真空计；11.超高真空B-A规；12.金属软管；13.不锈钢管；14.被测连接部件；15.预留垂向窗口；16.不锈钢隔热层；17.法兰；18.卡套接头；19.气阀；20.带穿透水管法兰；21.真空室支撑；22.真空室连接分子泵窗口；23.真空室本体；24.铁锆铝合金电阻丝；25.电极；26.截止阀；27.泄压阀；28.压力表；29.预留横向窗口；30.热电偶；31.电阻丝固定夹具；32.轨支撑；33.滑轨夹块；34.滑轨；35.支撑梁；36.支撑滚轮。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，热冲击实验装置包括真空室及加热测量组件1、用于安装真空室及加热测量组件1的支撑架5、与真空室及加热测量组件1连接的涡轮分子泵3和储气罐4、与涡轮分子泵3连接的检漏仪7和机械泵6、与储气罐组件4连接的氦气气瓶8。

真空室及加热测量组件1包括真空室本体23、位于真空室本体23一侧的法兰17、位于法兰17外侧中心处的带穿透水管法兰20，以及通过带穿透水管法兰20安装、主体位于真空室本体23内部的两段通过金属软管12连接的不锈钢管13。真空室本体23的下部加工有真空室连接分子泵窗口22，其用于与真空室及加热测量组件1下方的涡轮分子泵3连接。

上述的两段不锈钢管13中的其中一个安装被测连接部件14。

上述不锈钢管13位于真空室本体23外部、带穿透水管法兰20外侧的两个端部，其中一个(安装被测连接部件14的不锈钢管13)端部通过卡套接头18安装气阀19，另外一个端部安装泄压阀27，并且在这一端不锈钢管13上可以安装压力表28。

上述的真空室本体23内安装有铁锆铝合金电阻丝24，其通过电阻丝固定夹具31固定在多层不锈钢薄板结构16上，真空室本体23与铁锆铝合金电阻丝24之间安装多层不锈钢薄板结构16，所述的不锈钢薄板结构16通过螺栓进行固定至真空室本体23的内壁。

在上述的真空室本体23的上沿着径向方向加工有预留垂向窗口15和预留横向窗口29，预留垂向窗口15的开口位于真空室本体23的上部或下部，预留横向窗口29的两个开口分别位于真空室本体23的前部或者后部。

在上述真空室本体23的尾部封头2上安装有电极25和热电偶30。

在上述真空室本体23上部还安装有皮拉尼真空计10和超高真空B-A规11。

在上述真空室本体23后部还安装有截止阀26。

如图2和图3所示，支撑架5上固定安装真空室支撑21，真空室支撑21上固定安装真空室本体23，真空室本体23上端固定安装支撑滑轨9，其滑动方向平行于支撑架5的工作台面。

如图4所示，支撑滑轨9包括滑轨支撑32、滑轨夹块33、滑轨34、用于支撑法兰17的支撑梁35、以及位于滑轨34端部的支撑滚轮36。其中滑轨支撑32通过焊接对称固定真空室本体23上端，滑轨34通过内六角螺钉M10固定在滑轨支撑32上，支撑梁35一端通过内六角螺钉M8将其固定至滑轨夹块33，滑轨33与滑轨夹块34可以相对滑动，支撑梁35另一端与法兰17采用焊接方式进行连接，临近法兰17一端的支撑梁35的端部下方有支撑滚轮36，其主要作用为降低其支撑梁35在移动过程中的不稳定性。

真空室及加热测量组件1与分子泵3、机械泵6以及检漏仪7相连接，主要用于抽高真空和氦气检漏。在实验运行时，先打开机械泵6，待真空度达到10

真空室及加热测量组件1中的气阀19通过管路与储气罐4连接，储气罐4再与氦气气瓶8连接，这样的设计主要用于稳定管道回路在实验运行过程中的压力。储气罐4固定至支撑架5的立柱上。

真空室内的管道回路采用模块化设计方式，将被测连接部件14、不锈钢管13、压力表28以及泄压阀27集成一体至带穿透水管法兰20，易于安装维护和拆卸。

管道回路中存在金属软管12，其作用是在安装与拆卸被测连接部件14的过程中将其往复形变吸收。

真空室本体23的圆形截面，直径400mm，长度600mm。不锈钢薄板结构16厚度为0.5mm，相邻薄板间距离为5mm，用于屏蔽电阻丝24产生的辐射热。

真空室本体23端部位置的法兰17采用的双密封结构形式，即橡胶密封结构和台阶金属密封结构(即真空室本体1和法兰17的相应连接部位均加工能够配合的台阶结构，通过台阶结构的接触面进行密封配合)。前者可用于温度相对较低工况，其优点在于易于安装和拆卸，后者主要用于高温工况，其优点主要是耐温较高。

法兰17的自身重量达40kg，对于实验人员徒手安装拆卸难度较大，在真空室本体23上端沿其长度方向上设计有对称的支撑滑轨9，该支撑最大可滑动距离可达0.5m。

热电偶30用于测量参数包括被测连接部件14的温度、铁锆铝合金电阻丝24的温度以及真空本体23的温度。被测连接部件14的温度用于其温升速率反馈控制，真空室本体23的温度主要用于防止实验过程中真空室本体23温度过高影响运行安全。

压力表28用于测量被测连接部件14的内压。

电极25用于加热系统输送供电。

截止阀26用于向真空室本体23内送气，比如当更换被测连接部件14时，打开法兰17，则需要通过打开截止阀26保持真空室本体23内外压力平衡。

泄压阀27通过设定回路压力阈值来防止金属软管12内压过高而被破坏，进而提高气密性实验装置的运行安全。