中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆氦冷固態(tài)包層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱工水力分析研究.pdf

1、中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)是一個(gè)介于國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)與未來(lái)聚變示范堆之間的聚變實(shí)驗(yàn)裝置，日前正處于設(shè)計(jì)階段。CFETR的主要目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)聚變功率為50-200 MW長(zhǎng)脈沖或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，驗(yàn)證聚變堆氚自持，探索遠(yuǎn)程操作技術(shù)以及獲得示范堆級(jí)別聚變電站許可文件的技術(shù)途徑。包層是CFETR的核心部件之一，要求在CFETR提供的有限空間內(nèi)獲得較高的氚增殖性能以滿足堆的氚自持要求，這使CFETR包層設(shè)計(jì)具有很大挑戰(zhàn)性。
　　

2、本論文的主要工作是基于CFETR設(shè)計(jì)了一種產(chǎn)氚性能較好，并且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、冷卻劑壓降比較小的氦冷固態(tài)包層結(jié)構(gòu)，對(duì)典型包層模塊進(jìn)行了熱工水力學(xué)分析研究，初步評(píng)估了包層設(shè)計(jì)方案的合理性，同時(shí)對(duì)包層的結(jié)構(gòu)以及熱工水力學(xué)性能進(jìn)行了優(yōu)化，將為包層的進(jìn)一步設(shè)計(jì)研究提供重要基礎(chǔ)和參考。
　　對(duì)典型包層模塊進(jìn)行了詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱工水力學(xué)分析。采用多層U形球床作為氚增殖區(qū)結(jié)構(gòu)，使包層結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。提出緊湊型氣體聯(lián)箱設(shè)計(jì)，為包層氚增殖區(qū)爭(zhēng)取了更多空間

3、，有利于提高包層氚增殖性能。部件內(nèi)流道布置方式簡(jiǎn)單靈活，并且冷卻劑的壓力損失比較小?；诎鼘咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，三維中子學(xué)初步分析結(jié)果顯示目前包層方案能夠滿足CFETR氚自持要求。根據(jù)中子學(xué)計(jì)算提供的熱源數(shù)據(jù)，從部件的冷卻需求、冷卻劑的冷卻效果和包層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度等方面考慮，建立了氦氣在包層模塊內(nèi)的流動(dòng)方案，并分析了各部件流道內(nèi)氦氣的質(zhì)量流率、溫度和壓降。
　　采用理論分析與有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法評(píng)估了典型包層模塊的熱性能。分別考察了在

4、第一壁面向等離子體的壁面受到平均和最大表面熱流作用時(shí)包層模塊的溫度分布，結(jié)果顯示即使第一壁承受最大表面熱流作用，包層模塊各區(qū)域的溫度分布也能夠滿足材料許用溫度限制，由此驗(yàn)證了包層冷卻方案的合理性。最后，從熱工安全的角度分別分析了氦氣流量損失和聚變功率失常激增對(duì)包層溫度性能的影響。
　　利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)典型包層模塊氦氣聯(lián)箱的氦氣流量分配進(jìn)行了分析。獲得了各層氦氣聯(lián)箱內(nèi)的氦氣流動(dòng)細(xì)節(jié)及聯(lián)箱各出口的氦氣流量分布情況，采用改變氦氣

5、進(jìn)口尺寸和添加導(dǎo)流板的方法大大提高了氦氣分配的均勻性?；诹髁糠治?，考察了各氦氣聯(lián)箱的氦氣壓降性能，并通過優(yōu)化聯(lián)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布局尺寸使氦氣壓力損失顯著降低。根據(jù)結(jié)構(gòu)材料許用溫度限值，評(píng)估了聯(lián)箱壁面溫度性能，并提取出聯(lián)箱壁面的平均對(duì)流換熱系數(shù)，可為將來(lái)開展聯(lián)箱熱應(yīng)力分析提供重要參考依據(jù)。
　　根據(jù)ITER真空室內(nèi)部部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，利用有限元分析軟件對(duì)典型包層模塊進(jìn)行了熱-機(jī)械分析。在不考慮電磁載荷作用的條件下分別考察了包層模塊在正