聚變氦冷固態(tài)包層多場耦合仿真平臺開發(fā)及第一壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、核熱聚變堆是解決人類能源問題的一個重要研究方向，對熱核聚變的可行性研究在近年一直是能源科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。一方面，國際熱核聚變實驗堆計劃正在加緊進入工程階段，為了驗證長時間可控的熱核聚變技術(shù)的可行性，各國科研人員正積極地進行研究。與此同時，多個國家也正在為本國的聚變演示堆進行獨立的概念設(shè)計，以便為未來本國的熱核聚變研究進行技術(shù)和人才儲備。無論是在ITER實驗堆還是DEMO商業(yè)堆中，氚增殖包層都是一個必不可少的重要部件，因為熱核聚變要能長

2、時間運行，必須要完成氚這種自然界稀缺燃料的自產(chǎn)自銷。因此，對氚增殖包層的研究設(shè)計，成了熱核聚變研究中非常重要的一環(huán)，而一個能夠完成氚增殖包層整個工作過程模擬仿真的計算平臺也就有了研究的意義。
　　本文應(yīng)用蒙特卡洛程序和熱工水力模擬程序開發(fā)了一個氦冷固態(tài)包層多場耦合計算平臺，用以模擬分析包層復(fù)雜流道的中子學(xué)性能和傳熱特性，通過計算分析為包層的合理設(shè)計和安全分析提出科學(xué)依據(jù)。包層計算平臺的主要優(yōu)點是能夠根據(jù)用戶輸入的模型數(shù)據(jù)自動完成中

3、子學(xué)計算的分區(qū)工作，并完成中子學(xué)計算、有限元計算和計算流體力學(xué)計算之間的數(shù)據(jù)傳遞。通過兩個驗證計算方案對包層計算平臺進行校正，對其中方案1使用的模型來源于中國TBM氦冷固態(tài)包層2007版本的第一壁，軟件平臺計算結(jié)果與計算方案1模型設(shè)計報告的計算結(jié)果偏差在5％以內(nèi)。方案2的計算模型來自于本課題為了驗證計算平臺可靠性搭建的實驗臺架中的實驗?zāi)Ｐ停冒鼘玉詈嫌嬎闫脚_對實驗?zāi)Ｐ瓦M行計算，其計算結(jié)果與實驗結(jié)果的最大偏差為9.5%，平均偏差小于5%，

4、這說明軟件計算平臺的熱工計算結(jié)果基本可信，該計算平臺能夠用于包層模型的熱工性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化中。
　　在包層多場耦合計算平臺中開展了第一壁與子模塊的計算模型建立工作，并在模型中進行了中子學(xué)計算和熱工水力計算，得到了包層第一壁三維模型的中子學(xué)數(shù)據(jù)和熱工數(shù)據(jù)。計算結(jié)果顯示，第一壁的最高溫度區(qū)域依然集中在面對等離子體的壁面上，第一壁冷卻劑的出口溫度為380℃。對計算結(jié)果進行分析后得出結(jié)論，包層結(jié)構(gòu)尚有進行優(yōu)化的空間。
　　運用多場

5、耦合計算平臺進行了包層整體熱工分析并對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。經(jīng)過詳細(xì)的整體固態(tài)包層第一壁模擬分析，優(yōu)化調(diào)整了包層第一壁的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過對鈹防護層厚度、冷卻通道中心距等包層第一壁參數(shù)進行全面優(yōu)化，達(dá)到了減少包層第一壁熱負(fù)荷和熱應(yīng)力的目的。
　　根據(jù)現(xiàn)有傳熱強化技術(shù)，提出了兩個結(jié)構(gòu)改進方案，對包層第一壁流道進行局部優(yōu)化。改進方案1采取的思路是減小流道局部的流通截面積，增大相應(yīng)流道處氦氣的局部流動速度，改進方案2對局部結(jié)構(gòu)進行流動傳熱模擬