本發(fā)明涉及聚變堆高溫環(huán)境的冷卻系統(tǒng)領(lǐng)域，具體是一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

以國際熱核聚變試驗堆托卡馬克的物理診斷軟x射線相機為例，為保證托卡馬克真空室真空度，在實驗前需要對托卡馬克進行烘烤處理。在托卡馬克裝置烘烤期間，環(huán)境溫度將高達250℃，即使在非烘烤期間，軟x射線相機探測器所處的環(huán)境溫度也將超過75℃，而探測器的正常工作溫度一般低于75℃，此外，溫度會影響探測器的性能，一般來說，探測器溫度每升高10℃，其暗電流就會加倍。所以為了適應(yīng)托卡馬克環(huán)境，冷卻系統(tǒng)不可缺少。如果使用水作為冷卻介質(zhì)，在核聚變堆這樣嚴重的核環(huán)境下，作為冷卻介質(zhì)的水由于處于堆芯位置，將會被很嚴重的活化。同時氦氣在相同的輻照條件下，其活化遠遠低于水的活化水平。因此選用氦氣作為一種冷卻介質(zhì)就是一種很好的選擇，可同時滿足低活化和冷卻的需求。而在遠離堆芯位置的輻照強度相對較弱的位置，可以使用水最為冷卻介質(zhì)冷卻氦氣。這種設(shè)計既可以采用較易獲得的水作為最終的冷源，同時可以大大降低總體的活化水平。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，以解決在核聚變堆嚴苛復(fù)雜的物理核環(huán)境中冷卻系統(tǒng)設(shè)計面臨的有限的制冷劑中子活化等問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，其特征在于：包括有隔膜式壓縮機、儲氣罐，隔膜式壓縮機的進氣端與儲氣罐的氣體出口通過管道連接，隔膜式壓縮機的進氣端與儲氣罐之間的管道上設(shè)有隔斷閥、電動穩(wěn)壓閥，隔膜式壓縮機的出氣端與儲氣罐的出口、換熱器一的熱端的一個端口分別通過管道連接，隔膜式壓縮機的出氣端與儲氣罐之間的管道上設(shè)有泄壓閥，隔膜式壓縮機的出氣端與換熱器一之間的管道上設(shè)有排氣閥，換熱器一的冷端的兩個端口與冷水機連接，換熱器一的熱端的另一端口與冷卻池的一端通過管道連接，換熱器一與冷卻池之間的管道上設(shè)有流量計、壓力計一、溫度計一，冷卻池中置有待冷卻物體，冷卻池的另一端與換熱器二的熱端的一個端口通過管道連接，冷卻池與換熱器二之間的管道上設(shè)有壓力計二、溫度計二、吸氣閥，吸氣閥所在管道與流量計所在管道的兩個管道之間連接有一分支管道，所述分支管道上設(shè)有旁通閥，換熱器二的熱端的另一端口通過管道與隔膜式壓縮機的進氣端連接，所述隔膜式壓縮機還分別與換熱器一、二的冷端兩端口通過管道連接。

所述的一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，其特征在于：所述儲氣罐的氣體入口還通過管道連接有補氣罐，所述管道上設(shè)有補氣減壓閥。

所述的一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，其特征在于：所述冷卻池中設(shè)有真空計、熱電偶，冷卻池還與機械泵、分子泵連接，所述機械泵和分子泵用于維持待冷卻物體的環(huán)境真空度，真空計用于檢測待冷卻物體的環(huán)境真空度，熱電偶用于檢測待冷卻物體的溫度。

所述的一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，其特征在于：所述儲氣罐、補氣罐中置有制冷劑，制冷劑采用氦氣。

本發(fā)明中的隔膜式壓縮機、儲氣罐、電動穩(wěn)壓閥、隔斷閥、泄壓閥、熱交換器二、溫度計二、壓力計二等，構(gòu)成了初級氣冷制冷回路，本發(fā)明中的冷水機、熱交換器一、排氣閥、流量計、壓力計一、溫度計一等，構(gòu)成了次級水冷制冷回路。初級氣冷制冷回路中的氣體制冷劑與次級水冷制冷回路中的液體制冷劑在兩個熱交換器中進行熱交換，初級制冷回路中的氣體制冷劑可以由電動穩(wěn)壓閥控制從儲氣罐中向初級氣冷回路中進行補充或回收，當儲氣罐氣體不足時，可由補氣罐進行補充；初級氣冷制冷回路中的熱電偶、溫度計、壓力計、流量計和真空計負責監(jiān)測冷卻系統(tǒng)的運行狀態(tài)；初級氣冷制冷回路中的隔膜式壓縮機提供氣體壓力源；初級氣冷制冷回路為閉回路，其氦氣可重復(fù)循環(huán)利用；次級制冷回路中的冷水機組向熱交換器和隔膜式壓縮機提供循環(huán)可重復(fù)循環(huán)使用的冷卻水。

本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)可以將待冷卻物體環(huán)境真空控制在10^-2pa，可以將物體或者環(huán)境溫度從250℃降低到50℃；可以利用溫度自動反饋，從而調(diào)節(jié)旁通閥開度控制初級氣體回路流量，使得溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。

本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)利用初級氣冷制冷回路的氣體置換出核聚變堆中物體的熱量，然后在次級水冷制冷回路中用冷卻水置換氣體的熱量，有效地避免了核聚變堆中子輻照導(dǎo)致冷卻水被活化的問題。

本發(fā)明優(yōu)點為：

1、本發(fā)明使用了多種傳感器監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化以及數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控；

2、本發(fā)明使用了氣冷水冷混合制冷方式，避免了核聚變堆中子輻照導(dǎo)致冷卻水被活化的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，包括有隔膜式壓縮機14、儲氣罐15，隔膜式壓縮機14的進氣端與儲氣罐15的氣體出口通過管道連接，隔膜式壓縮機14的進氣端與儲氣罐15之間的管道上設(shè)有隔斷閥12、電動穩(wěn)壓閥13，隔膜式壓縮機14的出氣端與儲氣罐15的出口、換熱器20的熱端的一個端口分別通過管道連接，隔膜式壓縮機14的出氣端與儲氣罐15之間的管道上設(shè)有泄壓閥16，隔膜式壓縮機14的出氣端與換熱器20之間的管道上設(shè)有排氣閥19，換熱器20的冷端的兩個端口與冷水機21連接，換熱器20的熱端的另一端口與冷卻池3的一端通過管道連接，換熱器20與冷卻池3之間的管道上設(shè)有流量計6、壓力計7、溫度計8，冷卻池3中置有待冷卻物體，冷卻池3的另一端與換熱器11的熱端的一個端口通過管道連接，冷卻池3與換熱器11之間的管道上設(shè)有壓力計2、溫度計1、吸氣閥10，吸氣閥10所在管道與流量計6所在管道的兩個管道之間連接有一分支管道，分支管道上設(shè)有旁通閥9，換熱器11的熱端的另一端口通過管道與隔膜式壓縮機14的進氣端連接，隔膜式壓縮機11還分別與換熱器20、11的冷端兩端口通過管道連接。

儲氣罐15的氣體入口還通過管道連接有補氣罐18，管道上設(shè)有補氣減壓閥17。

冷卻池3中設(shè)有真空計7、、熱電偶8，冷卻池3還與機械泵22、分子泵23連接，。機械泵22和分子泵23用于維持待冷卻物體3的環(huán)境真空度，真空計7用于檢測待冷卻物體3的環(huán)境真空度，熱電偶8用于檢測待冷卻物體3的溫度。

儲氣罐15、補氣罐18中置有制冷劑，制冷劑采用氦氣。

本發(fā)明的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)采用一臺隔膜式壓縮機14作為壓力源，壓縮后的氣體進入一個換熱器20供冷卻系統(tǒng)使用，使用后的氣體再次經(jīng)過另一個換熱器11降溫，一臺冷水機21組為冷卻系統(tǒng)提供冷源，降溫后的氣體在閉環(huán)初級回路中循環(huán)利用。一個儲氣罐15供由電動穩(wěn)壓閥13控制，當系統(tǒng)開始運行需要充氣或者是封閉環(huán)路中氣體壓力不足時，對閉環(huán)初級回路內(nèi)進行氣體補充。當任務(wù)結(jié)束，需要回收氣體時，同樣也由電動穩(wěn)壓閥13控制將氣體回收至儲氣罐15。在系統(tǒng)進行過程當中時，為了控制初級回路氣體流量，采用了一個旁通閥9用于調(diào)節(jié)分流。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種適用于聚變堆高溫環(huán)境的閉環(huán)再循環(huán)氣水混合冷卻系統(tǒng)，利用初級氣冷制冷回路的氣體置換出核聚變堆中物體的熱量，然后在次級水冷制冷回路中用冷卻水置換氣體的熱量，有效地避免了核聚變堆中子輻照導(dǎo)致冷卻水被活化的問題，可以將待冷卻物體環(huán)境真空控制在10?2Pa，能夠長期地提供連續(xù)冷卻氣體和冷卻水，并快速冷卻具有較高溫度或環(huán)境溫度的物體。

技術(shù)研發(fā)人員：陳曄斌;胡立群;張勝;張斌;詹俊程;俞紅
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.09
技術(shù)公布日：2017.09.29