CFETR偏濾器熱工水力設(shè)計(jì)與分析優(yōu)化.pdf

1、CFETR(中國聚變工程試驗(yàn)堆)是我國在參加ITER項(xiàng)目的同時(shí)，開展的關(guān)于磁約束聚變堆工程可行性的研究項(xiàng)目。它目標(biāo)為氚自持的前提下獲得50～200MW的聚變功率，目前正在進(jìn)行工程概念設(shè)計(jì)。它的大小半徑分別為5.7m和1.6m，等離子體電流為10MA。在CFTER設(shè)計(jì)中，偏濾器設(shè)計(jì)是關(guān)鍵的工作之一。偏濾器的作用:1）控制等離子體邊界2）排出熱量和氦灰3）減少主等離子雜質(zhì)的作用。由于偏濾器要接受來高粒子密度和高熱負(fù)荷，還有來自芯部等離子體和

2、偏濾器區(qū)域等離子體的輻射，在這樣的極端熱流條件下，偏濾器的熱工水力設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的課題。
　　本文首先從核能的發(fā)展，磁約束核聚變裝置的研究現(xiàn)狀切入，引述到中國的工程聚變實(shí)驗(yàn)堆CFETR。在了解CFETR托卡馬克裝置的基本參數(shù)后，進(jìn)而在物理設(shè)計(jì)得到的磁場位形基礎(chǔ)上開展工程設(shè)計(jì)。通過比較不同的磁場位形設(shè)計(jì)，選擇成熟的類ITER偏濾器位形來建立具有較寬范圍等離子體位形適應(yīng)性的偏濾器結(jié)構(gòu)。偏濾器的整體設(shè)計(jì)采用Cassette盒體式設(shè)計(jì)

3、概念，第一壁靶板采用Monoblock結(jié)構(gòu)。在偏濾器的選材問題上根據(jù)不同模塊的材料要求選擇合適的不同的材料。
　　CFETR偏濾器的熱工水力設(shè)計(jì)分析是本文的重點(diǎn)。對于每一個(gè)CFETR偏濾器模塊采用的是一進(jìn)一出的冷卻管路布置方式，以環(huán)向上45°對偏濾器的60個(gè)模塊分組并聯(lián)組成一個(gè)回路模塊，再通過一條主水管給回路模塊供水。在每一個(gè)模塊中，靶板上的Monoblock結(jié)構(gòu)之間采用并聯(lián)冷卻，而在盒體支撐、Dome板、返流板、內(nèi)、外靶板之間采

4、用的是串聯(lián)冷卻。
　　隨后，本文對所設(shè)計(jì)的偏濾器結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了熱工水力和結(jié)構(gòu)立力分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足要求。首先通過偏濾器的壓降分析來調(diào)整偏濾器的結(jié)構(gòu)，主要通過簡化管路復(fù)雜性，增大偏濾器的主管路口徑，圓滑結(jié)構(gòu)的尖銳處和冷卻管路彎道這三種方式從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上降低壓降。其次是在特定的熱流邊界條件下，通過ANSYS熱工水力學(xué)模擬從以下幾個(gè)方面考查熱工水力設(shè)計(jì)的合理性:偏濾器結(jié)構(gòu)材料的溫度是否低于材料的許用運(yùn)行溫度;偏濾器上的臨界熱流安全因子

5、是否大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)1.4;整個(gè)冷卻管道的壓降是否在參考值以內(nèi);偏濾器運(yùn)行時(shí)冷卻水的狀態(tài)是否為假定的單向流狀態(tài)。通過這幾個(gè)方面對圓形光管，加比率為4的擾動(dòng)片和比率為2的擾動(dòng)片管這三種偏濾器靶板冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估分析，確定出入口冷卻水流量的合理窗口范圍。并考慮到偏濾器的冷卻效率問題，分析確定加擾動(dòng)比率為2的擾動(dòng)片的冷卻結(jié)構(gòu)最佳。它的冷卻水入口流量窗口為5.82kg/s至12.75kg/s。在最小的流量條件下，它消耗的最小泵機(jī)功率為1.9KW。最

6、后，以熱工水力學(xué)分析得出的最佳結(jié)構(gòu)作為應(yīng)力分析的結(jié)構(gòu)，在保守的彈性材料假定下，通過它在不同入口流量條件下的Von-mises應(yīng)力與3倍許用應(yīng)力之間的比較，得出冷卻水的最小入口流量為5.18kg/s。所以在上述的水力學(xué)入口參數(shù)條件下，加比率為2的擾動(dòng)片的偏濾器冷卻結(jié)構(gòu)是能夠滿足材料應(yīng)力要求的。
　　本文最后分析討論了上述偏濾器結(jié)構(gòu)在高熱載荷條件下的結(jié)構(gòu)性能。放寬對壓降的要求，增加偏濾器冷卻水主管路的壁厚，并考慮材料塑性變形，模擬分析