ITER鎢銅穿管模塊高熱負荷測試及有限元模擬.pdf

1、作為聚變裝置的關鍵部件之一，偏濾器要承受嚴峻的熱負荷條件。因此對偏濾器面向等離子體材料和部件的選擇尤為重要。穿管型鎢銅面向等離子體部件因為其優(yōu)秀的抗熱負荷輻照性能而被選為ITER偏濾器靶板的部件。作為ITER全鎢偏濾器認證項目的一部分，ITER組織(IO)對等離子體所制造的六件穿管鎢銅模塊在IDTF設備上進行了高熱負荷輻照測試。測試內(nèi)容包括5000次10MW/m2和300次20MW/m2，以及額外的700次20MW/m2的熱負荷輻照。所

2、有的模塊均一次性通過了測試認證。表明等離子體所研制的穿管鎢銅模塊可以達到ITER的要求。隨后，對其中的一件模塊開展了臨界熱負荷測試，測量顯示最終的平均吸收熱通量約為27.7MW/m2，而有限元分析計算表明實際局部的吸收熱通量甚至達到37-39MW/m2。文中針對此項認證實驗，首先對鎢銅穿管結(jié)構(gòu)模塊在高熱輻照實驗過程中的傳熱和受力情況進行數(shù)值模擬演算，進而對輻照后鎢銅模塊進行了詳細的事后分析研究。
　　作為高熱負荷輻照測試的重要輔助

3、工具，有限元分析軟件ANSYS被用來模擬鎢銅模塊在不同熱負荷下的溫度溫度場分布和不同加熱階段的應力場分布。通過模擬得到了插入擾流片的模塊在10MW/m2和20MW/m2的熱負荷條件下的溫度分布，該結(jié)果與實驗中測得的比較一致。計算還發(fā)現(xiàn)在插入擾流片后流體的運動變成旋流，明顯增強了冷卻劑和熱沉的對流換熱效果，但是同時也會使壓降增高。對鎢銅塊的應力分析發(fā)現(xiàn)在加熱階段，鎢的表面受到壓應力，并且應力值超出了該溫度下的屈服應力，導致冷卻管正上方的鎢

4、發(fā)生了塑性變形。在鎢銅塊的冷卻的最后階段，冷卻管正上方鎢的表面受到拉應力，拉應力大小達980MPa。應力集中的位置正是實驗中宏觀開裂易發(fā)生的部位。
　　對測試后的模塊進行了超聲無損檢測，發(fā)現(xiàn)部分鎢銅瓦塊的Cu/CuCrZr界面在輻照區(qū)域出現(xiàn)了1-2mm的缺陷，而W/Cu界面沒有檢測到缺陷。隨后對其中的三件模塊進行了破壞性分析，得到了與無損檢測一致的結(jié)果，即在Cu/CuCrZr界面發(fā)現(xiàn)了開焊現(xiàn)象。對于開裂的鎢銅塊的觀察發(fā)現(xiàn)裂紋是從鎢

5、表面處萌生，隨著熱循環(huán)過程擴展直到鎢銅界面處。通過斷口的觀察發(fā)現(xiàn)鎢開裂的最表面為韌性開裂，主體部分為脆性的沿晶開裂。表面的斷口可以看到典型的“冰糖狀”的形貌。金相學分析發(fā)現(xiàn)在經(jīng)歷了熱負荷輻照后WTC-2在冷卻管正上方出現(xiàn)了再結(jié)晶，再結(jié)晶深度約1.7-2.3mm，在邊緣處的再結(jié)晶深度達3-3.6mm。對WTC-5的冷卻管正上方可以看到熔化凝固產(chǎn)生的大晶粒，并且再結(jié)晶甚至達到了鎢銅界面處。顯微維氏硬度的測試發(fā)現(xiàn)鎢在再結(jié)晶后會發(fā)生硬度下降的情