聚變反應堆超臨界水冷包層內(nèi)對流換熱及應力分析研究.pdf

1、能源問題是當今人類社會面臨的重要問題之一，目前主要使用的化石能源熱值低、資源匱乏并且對環(huán)境造成很大的污染，不適合長期使用。核能是新能源家族中的重要成員，包括裂變能和聚變能兩種主要形式。裂變能是重金屬元素的原子通過裂變所釋放出的巨大能量，目前已經(jīng)實現(xiàn)商用化。核能的另一種形式就是目前尚未實現(xiàn)商用化的聚變能。聚變反應的燃料在自然界中大量存在，幾乎“取之不盡，用之不竭”，并且其反應產(chǎn)物放射毒性較低，也不產(chǎn)生污染環(huán)境的硫、氮氧化物，不釋放溫室氣體

2、，所以聚變能被看成是清潔、安全和可再生的新型能源。
　　在產(chǎn)生聚變能的聚變反應堆中，包層是實現(xiàn)高環(huán)境適應性和低發(fā)電成本的聚變能應用的關鍵能量轉換部件，作為堆內(nèi)構建它包裹著等離子體，由第一壁和增殖區(qū)構成。聚變堆包層的主要功能是：產(chǎn)生和輸運聚變反應所需的氚；將聚變中子的能量轉換成熱能并通過其內(nèi)部的冷卻通道將包層內(nèi)的熱量載出；第一壁材料還要抵御高溫等離子體的熱流；同時還要起到部分屏蔽作用。在眾多包層設計和冷卻方案中，超臨界水冷包層是其中

3、的一種，采用25MPa下的超臨界水作為冷卻劑。本文主要研究了超臨界水冷包層第一壁結構材料中的溫度和應力分布，以及增殖區(qū)冷卻劑通道內(nèi)的混合對流換熱。
　　本文針對聚變反應堆超臨界水冷包層第一壁結構，通過商用計算流體力學軟件 CFX和有限元分析軟件 ANSYS Workbench中的SIMULATION模塊進行單向流固耦合，對現(xiàn)有設計的超臨界水冷包層第一壁溫度和應力進行數(shù)值模擬，驗證了流固耦合分析手段的可行性。在此基礎上，進一步研究了

4、不同湍流模型對計算結果的影響，以及比較了不同冷卻方案下第一壁結構材料中的最高溫度和最大應力。同時，研究了流道截面對結構材料中最高溫度和最大應力的影響，綜合這些影響因素對第一壁結構作了優(yōu)化設計，有效降低了結構材料中的最高溫度和最大應力。
　　本文針對超臨界水冷包層增殖區(qū)，利用商用計算流體力學軟件CFX研究了冷卻劑質量流量對通道內(nèi)對流換熱效果的影響。數(shù)值模擬結果表明超臨界水在過擬臨界點時劇烈的物性變化給冷卻通道內(nèi)的對流換熱帶來了一定的