ICS 27.120.99 F 60 DB34 安 徽 省 地 方 标 准 DB 34/T 3441—2019 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 安徽省市场监督管理局 2019 - 12 - 04 实施 发 布 DB34/T 3441—2019 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。 I DB34/T 3441—2019 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（Stainless 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 electromagnetic load 在发生瞬态事件（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 200℃～350℃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 1 DB34/T 3441—2019 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-off 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 neutral 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。 窗口颈管 上窗口 窗口接缝区 筋板 窗口领圈 包层 接缝区 偏滤器 中窗口 内壳体 下窗口 外壳体 支撑结构 图1 4.2 2 真空室系统功能 聚变堆真空室 45°扇区概念设计模型 DB34/T 3441—2019 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8 4.2.9 4.3 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。 移除核热。 支撑真空室内部部件及其引起的机械载荷。 参与中子防护。 提供一个等离子体磁流体动力学稳定的连续导体壳。 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。 为氚和活化灰尘提供第一道约束壁垒。 为超导线圈提供辐射屏蔽功能。 真空室内外壳体间插入中子屏蔽层来减少环向场波纹度。 真空室系统边界和接口 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.3.7 4.3.8 4.3.9 4.3.10 4.3.11 4.4 内部部件支撑结构与真空室内壁接口。 窗口颈管端部法兰密封板与真空窗口插件接口。 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。 窗口法兰密封板与窗口颈管法兰接口。 真空室冷却水的管接口。 真空室内部和真空室夹层排水管线的管接口。 包层模块管路在上窗口颈管过渡段的接口。 偏滤器水冷管路在偏滤器窗口颈管过渡段的接口。 真空室支撑系统和杜瓦的连接口。 真空室与包层和偏滤器支撑结构的可重复焊接的接口。 真空室接缝区与真空室壳体的接口。 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 真空室主体 钢 316L(N)-IG 应符合 RCC-MR 2007 的要求 钢 316L(N)-IG 钢 304 和钢 304L 应符合 GB/T 4237 的要求 无冷却窗口组件 钢 304L(22Cr19Ni10) 钢 304(06Cr19Ni10) 支撑结构 钢 316L 螺栓 718 镍合金或 660 钢 中子屏蔽层 304B4 不锈钢、304B7 不锈钢 430 不锈钢 4.4.2 注释 316L(N)-IG 应满足 RCC-MR 2007 的要求 应符合 GB/T 4237 的要求 应符合 BS EN 10088-1 的要求 应符合 RCC-MR 2007 的要求 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 µm，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 9 µm。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。 3 DB34/T 3441—2019 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 200℃～350℃。 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 5.1.1 真空室主体结构设计 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 5.2.1 真空室中子屏蔽层结构设计 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 5.2.2.1 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。 4 DB34/T 3441—2019 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 5.3.3.1 中窗口结构设计 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 5.3.4.1 下窗口结构设计 一般要求 下窗口横截面宜采用梯形截面设计，下窗口结构