中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆氦冷固態(tài)包層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱工水力分析研究.pdf

1、中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)是一個(gè)介于國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)與未來聚變示范堆之間的聚變實(shí)驗(yàn)裝置，日前正處于設(shè)計(jì)階段。CFETR的主要目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)聚變功率為50-200 MW長脈沖或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，驗(yàn)證聚變堆氚自持，探索遠(yuǎn)程操作技術(shù)以及獲得示范堆級別聚變電站許可文件的技術(shù)途徑。包層是CFETR的核心部件之一，要求在CFETR提供的有限空間內(nèi)獲得較高的氚增殖性能以滿足堆的氚自持要求，這使CFETR包層設(shè)計(jì)具有很大挑戰(zhàn)性。
　　

2、本論文的主要工作是基于CFETR設(shè)計(jì)了一種產(chǎn)氚性能較好，并且結(jié)構(gòu)比較簡單、冷卻劑壓降比較小的氦冷固態(tài)包層結(jié)構(gòu)，對典型包層模塊進(jìn)行了熱工水力學(xué)分析研究，初步評估了包層設(shè)計(jì)方案的合理性，同時(shí)對包層的結(jié)構(gòu)以及熱工水力學(xué)性能進(jìn)行了優(yōu)化，將為包層的進(jìn)一步設(shè)計(jì)研究提供重要基礎(chǔ)和參考。
　　對典型包層模塊進(jìn)行了詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱工水力學(xué)分析。采用多層U形球床作為氚增殖區(qū)結(jié)構(gòu)，使包層結(jié)構(gòu)更加簡單。提出緊湊型氣體聯(lián)箱設(shè)計(jì)，為包層氚增殖區(qū)爭取了更多空間

3、，有利于提高包層氚增殖性能。部件內(nèi)流道布置方式簡單靈活，并且冷卻劑的壓力損失比較小?；诎鼘咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，三維中子學(xué)初步分析結(jié)果顯示目前包層方案能夠滿足CFETR氚自持要求。根據(jù)中子學(xué)計(jì)算提供的熱源數(shù)據(jù)，從部件的冷卻需求、冷卻劑的冷卻效果和包層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度等方面考慮，建立了氦氣在包層模塊內(nèi)的流動(dòng)方案，并分析了各部件流道內(nèi)氦氣的質(zhì)量流率、溫度和壓降。
　　采用理論分析與有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法評估了典型包層模塊的熱性能。分別考察了在

4、第一壁面向等離子體的壁面受到平均和最大表面熱流作用時(shí)包層模塊的溫度分布，結(jié)果顯示即使第一壁承受最大表面熱流作用，包層模塊各區(qū)域的溫度分布也能夠滿足材料許用溫度限制，由此驗(yàn)證了包層冷卻方案的合理性。最后，從熱工安全的角度分別分析了氦氣流量損失和聚變功率失常激增對包層溫度性能的影響。
　　利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對典型包層模塊氦氣聯(lián)箱的氦氣流量分配進(jìn)行了分析。獲得了各層氦氣聯(lián)箱內(nèi)的氦氣流動(dòng)細(xì)節(jié)及聯(lián)箱各出口的氦氣流量分布情況，采用改變氦氣

5、進(jìn)口尺寸和添加導(dǎo)流板的方法大大提高了氦氣分配的均勻性?；诹髁糠治?，考察了各氦氣聯(lián)箱的氦氣壓降性能，并通過優(yōu)化聯(lián)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布局尺寸使氦氣壓力損失顯著降低。根據(jù)結(jié)構(gòu)材料許用溫度限值，評估了聯(lián)箱壁面溫度性能，并提取出聯(lián)箱壁面的平均對流換熱系數(shù)，可為將來開展聯(lián)箱熱應(yīng)力分析提供重要參考依據(jù)。
　　根據(jù)ITER真空室內(nèi)部部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，利用有限元分析軟件對典型包層模塊進(jìn)行了熱-機(jī)械分析。在不考慮電磁載荷作用的條件下分別考察了包層模塊在正