水冷固態(tài)包層增殖球床氦氣流動(dòng)特性研究.pdf

1、聚變包層是聚變堆實(shí)現(xiàn)氚自持和能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵核心部件。作為中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)三個(gè)候選包層概念之一的水冷固態(tài)陶瓷包層(WCCB)擬采用純Be球床和不同直徑比的兩元Li2TiO3/Be12Ti混合增殖球床分區(qū)布置以滿足中子倍增和氚增殖要求，并使用低壓氦氣（混有0.1％的H2）將所產(chǎn)生的氚吹掃帶出。氦氣的吹掃壓降將直接影響包層氚吹掃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，球床中載氚氦氣的流動(dòng)特性也將決定著氚的分布與提取效率，準(zhǔn)確把握氦氣在球床中的流動(dòng)特性也是

2、進(jìn)一步開展球床內(nèi)氚輸運(yùn)分析的基礎(chǔ)。為獲得CFETR水冷固態(tài)包層球床中的詳細(xì)的流動(dòng)特性，本文針對(duì)WCCB增殖球床設(shè)計(jì)特點(diǎn)，開展了氚吹掃氦氣在增殖球床中流動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究和實(shí)驗(yàn)研究。
　　數(shù)值模擬方面，采用DEM-CFD耦合方法首先對(duì)一元球床進(jìn)行了流動(dòng)特性分析，驗(yàn)證了方法的可行性并比較了不同接觸點(diǎn)處理方式對(duì)球床壓降計(jì)算結(jié)果的影響。繼而基于驗(yàn)證后的DEM-CFD方法建立了滿足中子學(xué)要求的兩元混合增殖球床，主要分析了粒徑比為6∶1和7

3、∶1的兩元球床的流動(dòng)特性，包括孔隙率分布、速度分布和壓力分布，重點(diǎn)分析了不同尺寸比和填充率下兩元球床的壓降，得到了球床中氦氣的詳細(xì)流動(dòng)特性。
　　實(shí)驗(yàn)方面，設(shè)計(jì)了氚吹掃模擬實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了壓降測(cè)量初步實(shí)驗(yàn)。氚吹掃模擬實(shí)驗(yàn)裝置包括氦氣循環(huán)加熱系統(tǒng)以及球床實(shí)驗(yàn)段，其中氦氣循環(huán)加熱系統(tǒng)主要用于提供一定流量、壓力和溫度的氦氣，由真空抽氣系統(tǒng)、氣路循環(huán)系統(tǒng)、冷卻與加熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量采集控制系統(tǒng)、閥門與管路系統(tǒng)組成;球床實(shí)驗(yàn)段主要用于球床的

4、流動(dòng)阻力等參數(shù)的測(cè)量。該套實(shí)驗(yàn)裝置可測(cè)量在不同溫度、不同入口壓力、不同速度、不同直徑比和不同填充率下氦氣的吹掃壓降，能為未來的氚循環(huán)提取系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。冷態(tài)壓降初步測(cè)量實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)定了不同粒徑（1mm、2mm和5mm）的一元球床以及兩元混合球床(3mm和5mm)的壓降，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性，為下一輪熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供了一定保證。
　　經(jīng)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究得到的氦氣在球床中的流動(dòng)特性如速度分布和壓降等將