聚變示范堆氦冷固態(tài)增殖劑包層第一壁熱強度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究.pdf

1、當(dāng)今能源問題越來越突出，傳統(tǒng)的煤、石油、天然氣能源匱乏以及使用帶來的生態(tài)破壞、溫室氣體、空氣污染等是人類當(dāng)前面臨的困難之一。高效、清潔、環(huán)保的能源形式替代傳統(tǒng)化石能源變得更加緊迫。核聚變所需的燃料由于自然界中非常豐富，其產(chǎn)物放射性低，幾乎不產(chǎn)生對環(huán)境具有破壞的物質(zhì)。因此，人們認為核聚變能清潔、高效、取之不近，它是最有效解決能源問題的途徑。
　　在示范聚變反應(yīng)堆（Demonstration Power Plant，DEMO）中，實現(xiàn)

2、低發(fā)電成本與能量轉(zhuǎn)換部件的包層模塊具有高溫環(huán)境適應(yīng)性，氦冷固態(tài)陶瓷氚增殖劑鐵素體/馬氏體鋼（He-Cooled/Solid Ceramic/Be/F/M Steel，HCSB）是眾多冷卻方案和包層設(shè)計中被各國普遍采用的方式。本文以包層第一壁為研究對象，通過多物理耦合數(shù)值模擬，針對熱環(huán)境下Be/Eurofer97層狀界面結(jié)構(gòu)強度、第一壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化及動力學(xué)等科學(xué)問題進行分析和研究。
　　研究包層模塊第一壁熱環(huán)境下Be/Eurofer97

3、鋼層狀界面及整體結(jié)構(gòu)強度特征，得到界面周圍應(yīng)力達到最大，而界面處出現(xiàn)應(yīng)力下降很快的現(xiàn)象，及中間擴散層厚度對應(yīng)力及溫度分布的影響規(guī)律。然后，基于ANSYS Workbench中的計算流體動力學(xué)軟件CFX和計算靜力學(xué)程序，通過單向熱流固耦合數(shù)值模擬分析得到設(shè)計的第一壁應(yīng)力分布和相應(yīng)危險區(qū)域，這里同時考慮到第一壁中防護層和熱沉結(jié)構(gòu)各自的許用要求。
　　研究防護層厚度、流道結(jié)構(gòu)及第一壁結(jié)構(gòu)材料前側(cè)厚度三種結(jié)構(gòu)參數(shù)對第一壁溫度和應(yīng)力分布及各

4、自最大值的影響，科學(xué)合理考慮這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對第一壁的整體影響，提出第一壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方案。結(jié)果表明，優(yōu)化后的第一壁可以有效實現(xiàn)降低第一壁中防護層和熱沉結(jié)構(gòu)各自危險部位的最高溫度和最大應(yīng)力目的。
　　本文針對優(yōu)化后的第一壁，進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析，得到了第一壁的各階固有頻率和振型，為有效預(yù)防實際工況下共振造成第一壁結(jié)構(gòu)的疲勞、碰撞、變形等提供科學(xué)依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，采用雙向流固耦合的方法，進一步分析內(nèi)部具有高速流體流動時，第一壁的振動情況