聚變反應(yīng)堆超臨界水冷包層內(nèi)對流換熱及應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)堆中，包層是實現(xiàn)高環(huán)境適應(yīng)性和低發(fā)電成本的聚變能應(yīng)用的關(guān)鍵能量轉(zhuǎn)換部件，作為堆內(nèi)構(gòu)建它包裹著等離子體，由第一壁和增殖區(qū)構(gòu)成。聚變堆包層的主要功能是：產(chǎn)生和輸運聚變反應(yīng)所需的氚；將聚變中子的能量轉(zhuǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)材料中的溫度和應(yīng)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(yīng)堆超臨界水冷包層第一壁結(jié)構(gòu)，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(shè)計的超臨界水冷包層第一壁溫度和應(yīng)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(chǔ)上，進一步研究了

4、不同湍流模型對計算結(jié)果的影響，以及比較了不同冷卻方案下第一壁結(jié)構(gòu)材料中的最高溫度和最大應(yīng)力。同時，研究了流道截面對結(jié)構(gòu)材料中最高溫度和最大應(yīng)力的影響，綜合這些影響因素對第一壁結(jié)構(gòu)作了優(yōu)化設(shè)計，有效降低了結(jié)構(gòu)材料中的最高溫度和最大應(yīng)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(zhì)量流量對通道內(nèi)對流換熱效果的影響。數(shù)值模擬結(jié)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