等离子体瞬态事故下CFETR氦冷固态包层电磁-热-机械综合分析

发布时间：2020-04-24 00:22

【摘要】：包层系统是聚变堆核心部件,具有包容等离子体、能量转换、氚增殖和辐射屏蔽的作用。然而聚变包层处于强磁场、高热流、高辐照的严酷环境中,承受较大的热、机械负载和电磁负载,尤其是在等离子体瞬态事故下。等离子体瞬态事故的发生快速且不可控制,在极短的时间内释放高的热能和电磁能,使得包层系统需要承受额外的热机械和电磁负载,因此研究等离子体瞬态事故下包层系统的安全性非常重要。本文基于CFETR氦冷固态包层设计方案对等离子体瞬态事故下包层的电磁-热-机械耦合方法以及包层结构综合性能评估展开了研究。等离子体瞬态事故包括主破裂事故和垂直位移事故及它们导致的一系列后果。主破裂事故是指等离子体放电突然终止,等离子体热能和等离子体电流完全丧失的现象。由于等离子体热能的迅速丧失,将引起包层模块存在潜在局部熔化或升华危险,同时由于电流的丧失,磁场迅速变化,将引入额外的洛伦兹力及力矩作用在包层结构上,使得包层结构容易发生扭曲和变形。等离子体垂直位移事故中等离子体在极向上的平衡性将失去控制发生上下漂移,并伴着主破裂事故的发生。垂直位移事故下的包层受到的电磁力及力矩将同时受到等离子体位置漂移和破裂的影响,威胁包层结构安全性。首先开展了等离子体主破裂事故下包层电磁-热-机械综合分析。根据CFETR磁体系统布置以及氦冷固态包层设计方案,分别建立电磁分析模型、热分析模型以及应力分析模型,其中电磁分析模型包括了磁体系统、真空室以及包层系统。主破裂事故的研究对象是位于赤道面的典型包层模块,因此,典型包层模块采用精细结构。同时考虑周围铁磁性材料对典型包层磁场的影响,典型包层周围建立简化的包层模块以减少计算复杂度。电磁分析计算了等离子体线性淬灭模式下典型包层磁场强度、感应电流、电磁力和电磁力矩分布以及变化。热分析得到了主破裂事故下包层各个组件温度随时间变化规律,其中保护层以及第一壁最高温度均高于其安全限值,其余组件温度不受事故影响。对事故结束时在不同载荷情况下对包层展开进行应力分析,得到相应负载下包层应力场分布,并依据SDC-IC和RCC-MX评判准则进行包层应力评估,结果显示氦冷固态包层在主破裂事故下能够保持结构完整性。另外,开展了等离子体垂直位移事故下包层电磁-热-机械综合分析。为了模拟垂直位移事故下等离子体的垂直移动,电磁分析模型中采用69根电流丝模拟等离子体区域,通过电磁分析计算了典型包层磁场强度、感应电流、电磁力和力矩随时间的变化以及分布;热分析得到了在破裂缓解系统干预时垂直位移事故下包层各个组件温度分布和最高温度随时间变化规律,其中保护层和第一壁超过温度限值,由于事故持续时间较短,包层其余部件温度场不受事故影响;对事故结束时在不同载荷情况下对包层展开进行应力分析,得到了相应负载下包层应力场分布,并进行应力评估,结果显示氦冷固态包层在垂直位移事故下能够保持结构完整性,但第一壁安全裕量较小。本文基于CFETR磁体系统和氦冷固态包层系统设计方案,综合分析了包层电磁、热、机械耦合效应,对等离子体瞬态事故下包层的电磁-热-机械耦合方法以及包层结构综合性能评估方法展开了研究,为包层系统的设计优化提供了分析方法和重要参考。
【图文】：

包层模,功率密度,包层

ＣＢ）包层概念，其中氦冷固态氚增殖包层概念占其中一半，际发展的主流包层设计方案之一该方案优势是：氦气是良好的相容性可以避免与材料的腐蚀问题，并且可降低提氚难度，同时氦气冷却可以避免液态金属包层磁流体动力学（Ｍ增殖剂具有广泛的世界性的研发技术基础。因此本文主要研全性能。逡逑统作为托卡马克聚变装置中重要部件之一，ＣＦＥＴＲ对增殖选择等有严格的要求。虽然ＩＴＥＲＴＢＭ设计研究可以为ＣＦＥ案提供参考，然而，，ＩＴＥＲ邋ＴＢＭ和ＣＦＥＴＲ包层系统之间的要求，这使得ＣＦＥＴＲ包层设计更具挑战性【｜２］。逡逑ＴＲ运行期间，包层系统将经历不同运行工况，包层所处的力、磁场、真空度、热通量、辐射、腐蚀），对应负载组合方故发生频率、事故严重程度及可能的事故组合，可以将包层负载分为四类：Ｉ类负载（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ）、ＩＩ类负载（Ｌｉｋｅｌｙ）、ＩＩＩＶ类负载（ＥｘｔｒｅｍｅｌｙＵｎｌｉｋｅｌｙ）丨１３］。包层在稳态及瞬态事故下：逡逑８邋逦逦逦！逦；邋邋邋１逦ｉ逦逡逑

布置图,系统空间,包层模,包层

０邋１００邋２００邋３００邋４００邋５００邋６００邋７００邋８００逡逑Ｒａｄｉａｌ邋ｄｉｓｔａｎｃｅ邋ｆｒｏｍ邋ｌｈｅＦＷ邋（ｍｍ）逡逑图１．１典型包层模块功率密度沿径向变化图逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL364.4

【参考文献】