基于S形弯的CFETR包层结构设计与优化

发布时间：2020-04-28 23:10

【摘要】：中国核聚变工程实验堆(CFETR)是一种超导托卡马克装置,目前处于工程设计阶段。该装置用于弥补国际热核聚变实验堆(ITER)到未来聚变示范堆(DEMO)之间的技术不足。包层作为CFETR的关键部件之一,其主要功能是氚增殖与排热,对其开展研究具有重要意义。本文的主要工作是根据CFETR装置的整体设计要求,提出了一种新的氦冷固态氚增殖剂包层的设计方案,建立了包层的热工水力学分析模型,并对其进行性能评估,根据评估结果对包层设计进行结构优化,提升包层的性能。新包层的设计方案将氦气联箱功能融入到其他部件中,减少了氦气联箱在包层中占用的空间,为增殖区提供更多的空间,从而达到提高包层氚增殖能力的目的。包层增殖区采用了 S形-流道的设计方案,使整个增殖区内流道由上至下连成一体。虽然增殖区的氦气压降有所提高,但增殖区的流量分配比较稳定,降低了对氦气联箱的需求。本文采用理论计算与数值模拟结合的方法对包层进行了模拟与分析。采用理论方法计算了包层的质量流率以及关键部件的温度和压降。使用ANSYS CFX软件建立了包层的有限元模型,通过分析得到了包层内部的压降,发现了流量分配存在的问题,并对包层结构进行了优化。对第一壁进行了热分析,计算了第一壁在受到来自等离子体的平均热流和最大热流时的温度分布情况。分析结果显示,各材料在平均热流下可以满足材料温度限制,但在最大热流下不能满足条件,需要对第一壁冷却剂流道壁面做特殊处理才能解决问题限值问题。并在热分析的基础上完成了对地一壁的结构分析,结果显示其应力满足设计要求。同时我们对增殖区进行了热分析,分析结果显示设计优化后可以满足要求。
【图文】：

俄罗斯ＣＨＣ包层俄罗斯ＣＨＣ包层由两个独立小模块构成，两块模块逡逑沿极向方向上并排安放。这种设计使得部件的加工更容易一些，并且可以对两个逡逑模块进行独立的实验。子模块的第一壁是极径方向上的Ｕ形结构，图１－２俄罗斯逡逑ＣＨＣ包层示意图展示了邋ＣＨＣ包层上半部分小模块的内部结构。整个模块内由５逡逑个结构相同的氚增殖管道组成，增殖管沿环向并排排列，增殖管内部结构为装填逡逑有Ｌｉ４Ｓｉ０４小球的头尾相接套管，管状结构外是Ｂｅ球床，管道心部是Ｌｉ４Ｓｉ０４球逡逑床，两根管道之间是冷却剂的流道。Ｌｉ４Ｓｉ０４内有吹扫气将氚带出包层，此设计逡逑．逦的特点是没有层叠的氦气联箱结构，用歧管实现冷却剂的分配。研宄人员对其进逡逑行了初步的中子学，热工水力，，电磁以及应力分析。逡逑■逡逑１－Ｂｅ球床２－冷却剂流道３－氚增殖剂４－连接洞逡逑图１－２俄罗斯ＣＨＣ包层示意图逡逑５逡逑

（ａ）整体结构逦（ｂ）单元内细节逡逑图１－１欧盟ＨＣＰＢ包层基本结构以及增殖单元结构逡逑俄罗斯ＣＨＣ包层俄罗斯ＣＨＣ包层由两个独立小模块构成，两块模块逡逑沿极向方向上并排安放。这种设计使得部件的加工更容易一些，并且可以对两个逡逑模块进行独立的实验。子模块的第一壁是极径方向上的Ｕ形结构，图１－２俄罗斯逡逑ＣＨＣ包层示意图展示了邋ＣＨＣ包层上半部分小模块的内部结构。整个模块内由５逡逑个结构相同的氚增殖管道组成，增殖管沿环向并排排列，增殖管内部结构为装填逡逑有Ｌｉ４Ｓｉ０４小球的头尾相接套管，管状结构外是Ｂｅ球床，管道心部是Ｌｉ４Ｓｉ０４球逡逑床，两根管道之间是冷却剂的流道。Ｌｉ４Ｓｉ０４内有吹扫气将氚带出包层，此设计逡逑．逦的特点是没有层叠的氦气联箱结构，用歧管实现冷却剂的分配。研宄人员对其进逡逑行了初步的中子学
【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】：2018
【分类号】：TL64

【参考文献】

相关期刊论文 前5条

1 吕广宏;罗广南;李建刚;;磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展[J];中国材料进展;2010年07期

2 朱德琼;陈晓军;彭述明;;固体氚增殖剂的制备及性能综述[J];材料导报;2008年09期

3 于兴哲;宋月清;崔舜;李明;李增德;;聚变堆用结构材料的研究现状与进展[J];材料导报;2008年02期

4 冯开明;;ITER实验包层计划综述[J];核聚变与等离子体物理;2006年03期

5 石秉仁;“磁约束聚变:原理与实践”一书前言[J];中国核科技报告;1998年S3期

相关博士学位论文 前1条

1 李敏;中国聚变工程实验堆氦冷固态包层结构设计与热工水力分析研究[D];中国科学技术大学;2015年

本文编号：2643961