CFETR氦冷固態(tài)包層第一壁設(shè)計優(yōu)化與瞬態(tài)熱工安全分析.pdf

1、增殖包層是實現(xiàn)聚變堆燃料自持的關(guān)鍵功能載體。它具有包容等離子體、沉積并轉(zhuǎn)換聚變能量、增殖聚變?nèi)剂想耙约拜椛淦帘蔚淖饔?。中國在提出聚變工程實驗?CFETR)概念設(shè)計的同時也在研發(fā)適用于CFETR的增殖包層。氦冷固態(tài)陶瓷氚增殖劑包層具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、材料相容性好和無液態(tài)金屬磁流體動力學(xué)(MHD)效應(yīng)的優(yōu)點而被國際上廣泛研究。包層結(jié)構(gòu)中的第一壁(FW)承受來自堆芯等離子體的熱輻射和中子轟擊，所處環(huán)境極其嚴(yán)酷，是包層中的重要安全部件。本文基于一種

2、氦冷固態(tài)包層概念設(shè)計，對包層中FW部件進行熱工結(jié)構(gòu)性能分析，并優(yōu)化第一壁冷卻劑流道結(jié)構(gòu)，研究FW在事故中的安全特性。
　　首先對氦冷固態(tài)包層第一壁進行數(shù)值建模，開展了單向流固耦合的熱．機械性能分析。在確保網(wǎng)格獨立性和質(zhì)量的前提下，計算正常工況下FW的溫度分布和應(yīng)力分布。分析結(jié)果顯示，正常設(shè)計工況下第一壁最高溫度略超出材料溫度限值;總應(yīng)力滿足ITER結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則SDC準(zhǔn)則評價3Sm限值的要求，但熱應(yīng)力超出規(guī)定的限值，需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3、以降低熱應(yīng)力。
　　冷卻劑流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要考慮了三種因素:冷卻劑流道截面幾何大小、相鄰流道間距和流道倒圓角半徑。另外為了解決彎管處應(yīng)力集中的問題，還對第一壁彎管內(nèi)徑進行了優(yōu)化。通過數(shù)值模擬分析不同方案下的結(jié)構(gòu)最高溫度、最大應(yīng)力和冷卻劑壓降。綜合對比這些結(jié)構(gòu)尺寸的分析結(jié)果，得出優(yōu)化方案:矩形流道截面取9×9 mm2;其倒圓角半徑為3mm;相鄰流道間距仍為5mm不變，U型彎管處內(nèi)徑80 mm。優(yōu)化后第一壁的溫度下降49％，總應(yīng)力減小3