鎢銅偏濾器靶板疲勞損傷與壽命研究.pdf

1、隨著聚變科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，各大托卡馬克裝置中的等離子體參數(shù)正一步一步提高，但是在通往商用聚變堆的道路上仍然有很多挑戰(zhàn)。對于下一代托卡馬克裝置和未來聚變實驗堆而言，長脈沖高約束運行模式被認為是獲得高聚變能量增益的首選模式。在該模式運行下，由于磁流體不穩(wěn)定性等，會周期性的出現(xiàn)大量粒子和能量進入刮削層，然后這些粒子和能量沿著磁力線輸運到偏濾器區(qū)域，轟擊到靶板上，形成極高的瞬態(tài)熱負荷，對偏濾器造成損傷。偏濾器作為托卡馬克裝置中最重要的內(nèi)部部件之

2、一，在放電過程中不僅起著控制雜質(zhì)的作用，而且是聚變反應(yīng)中重要的能量和粒子排出通道。為了提高偏濾器的性能使得其滿足高約束運行模式中排熱或排出粒子的需求以及預(yù)研ITER偏濾器的性能和服役行為，EAST于2014年將上偏濾器升級成為類ITER結(jié)構(gòu)的鎢銅偏濾器。在高參數(shù)物理實驗之前，開展偏濾器在高參數(shù)物理實驗中的損傷與壽命研究是十分必要的內(nèi)容，其結(jié)果可以為偏濾器的設(shè)計和制定偏濾器在聚變裝置和反應(yīng)堆服役中的維護方案提供指導(dǎo)意見，同時可以更好的從工

3、程角度協(xié)助物理實驗的進行和提高裝置的運行效率。
　　本論文基于EAST和世界上各大聚變裝置在高約束模式實驗中統(tǒng)計的沉積在偏濾器靶板上的熱負荷特征，詳細研究了EAST鎢銅偏濾器靶板在高約束模式運行中的溫度和結(jié)構(gòu)響應(yīng)行為，并構(gòu)建了可以由診斷得到的偏濾器靶板上的熱負荷特征參數(shù)直接對應(yīng)到靶板疲勞損傷的模型，從而可以實現(xiàn)對服役中偏濾器靶板的疲勞損傷進行實時評估和監(jiān)測，判斷其是否會發(fā)生疲勞失效。
　　文中首先分析了偏濾器靶板在高約束模中

4、由邊界局域模(Edge localizedmodes)誘發(fā)的瞬態(tài)熱負荷作用時的響應(yīng)行為。為了更加直觀的描述靶板在ELMs瞬態(tài)熱負荷作用下的響應(yīng)行為，本文建立了包含溫度演化歷程、熱穿透深度和疲勞裂紋萌生壽命三個指標的體系來描述ELMs作用期間的靶板的溫度宏觀累積效應(yīng)、表面層微觀溫度響應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并分析了三個指標的主要影響因素以及它們與瞬態(tài)熱負荷特征參數(shù)之間的關(guān)系。
　　然后進一步開展了鎢銅偏濾器靶板在長脈沖高約束運行模式中的響

5、應(yīng)行為研究。文中定義了完整放電過程中打擊點處的熱負荷隨時間的演化歷程，經(jīng)過分析和討論從中提取出了影響偏濾器靶板響應(yīng)行為的穩(wěn)態(tài)熱負荷以及瞬態(tài)熱負荷的峰值、上升時間、頻率四個特征參數(shù);接著根據(jù)偏濾器靶板的Monoblock結(jié)構(gòu)在熱負荷作用下的響應(yīng)特性以及其結(jié)構(gòu)特點，把Monoblock結(jié)構(gòu)劃分為四個關(guān)鍵部位，分別構(gòu)建了它們在不同特征參數(shù)的熱負荷下對應(yīng)的溫度與結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型。
　　最后，在上述分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)鎢銅偏濾器靶板的面向等離