水冷包层多物理场集成优化设计平台及热工水力学研究

发布时间：2020-05-13 16:40

【摘要】：氚增殖包层是聚变堆的核心部件之一,其主要功能是增殖氚实现自持、将热量带出发电以及屏蔽中子辐射,水冷包层是聚变堆的一类候选包层。本文针对水冷固态包层(WCCB)沿径向分层布置的特点,提出了一种“三维+一维+三维”(3D+1D+3D)方法。在迭代优化的初始阶段,使用一维圆柱中子学模型和二维热工水力学模型开展分析,确定包层的最佳径向布置,从简化模型角度提高包层的设计效率。基于这一目标,开发了多物理场集成优化设计平台,涵盖中子学-热工水力学-结构力学三大领域。通过在可视化界面上点击操作,在完成包层初始径向布置和约束条件的定义后,即可自动化完成包层设计所涉及的所有操作,如编写MCNP的输入文件、创建CFD与ANSYS的几何结构和数值模型、定义材料类型、施加载荷以及数据处理后在程序间传输等,避免了不必要的重复性工作,极大地提高了工作效率。研究了核热密度沿径向的分布规律,将包层简化为单种材料氚增殖剂时,对其拟合成指数衰减形式与实际分布的相对偏差最高仅为8%。在其中插入冷却板后,核热密度在氚增殖单元中的相对偏差为1 6.7%。基于指数衰减的核热密度分布,建立了氚增殖单元的核热耦合数学模型,得到温度最大值随径向尺寸变化的线性关系,并植入到多物理场集成优化设计平台,可快速确定最佳径向布置。使用该平台对CFETR极向上所有WCCB包层的径向布置做了优化,并基于最佳径向布置建立了完整的三维中子学模型,得到全局TBR为1.21,满足氚自持要求。基于赤道面上外包层的径向布置,建立了全3D模块并开展流固耦合分析,相比传统的3D切块分析手段,边界条件少,较可靠真实地反映实际结果。获得的热工数据均满足设计要求,包括各个部件的温度场、各个流道的流量和总压降等。通过比较低维和高维中子学-热工水力学结果,验证了“3D+1D+3D”方法和多物理场集成优化设计平台的有效性和准确性。第一壁作为水冷包层的重要部件,直接面临等离子体的高热流辐射,对WCCB第一壁内置螺旋片的强化传热和流动阻力特性做了分析。在欧洲DEMO最新热流分布下,评估了水冷液态锂铅包层(WCLL)第一壁的载热能力和热工安全性能,并优化了流道结构和冷却系统设计,结果发现在DEMO堆内上X点处需布置限制器或特殊挡板将热流密度降低至1.34MW/m2。此外,当前热工设计足够安全,远离沸腾临界危机(DNB)。针对CFETR两个不同功率(200MW和1GW)的运行模式,通过在同一包层中布置两套冷却系统,设计了一种可同时承受两种功率的水冷包层,避免了聚变堆在高低功率转换时更换包层的操作,节省了氚增殖剂、中子倍增剂和钢结构等材料,提高了CFETR运行的经济性。
【图文】：

包层,径向

而且氚增殖剂温度在释氚温度范围内；４）增殖区总厚度满足ＣＦＥＴＲ总体组设计逡逑要求；５）在等离子体稳态、瞬态运行和事故工况下应能保证结构完整性。ＷＣＣＢ逡逑包层设计为径向分层布置，如图１．１所示，冷却板和径向支撑板组成结构骨架，逡逑将氚增殖剂和中子倍增剂分隔成多个单元，构成径向布置。每个单元的核热功率逡逑由四周的冷却板带走，功能区、冷却板和第一壁平行。逡逑一般地，如图１．２所示，包层设计步骤为：１）基于提出的包层概念，首先逡逑对初始结构开展中子学分析，得到氚增殖率与核热源项，反复调整径向布置或改逡逑变材料配比，直到满足产氚要求；２）将核热源项传递到热工水力学模型中计算，逡逑如果不满足热工要求，则调整结构返回步骤１重新开展中子学分析；３）对包层逡逑模型施加载荷开展结构分析，优化结构重复步骤１－３得到最佳的包层设计；４）逡逑对结构开展热工瞬态、电磁瞬态、典型安全事故、中子活化及氚输运分析等。因逡逑１逡逑

堆冷,包层,冷却水

是逡逑／邋服输运、＋乎活化、邋７逡逑／邋事故瞬态安全等分析邋／逡逑图１．２包层设计流程逡逑１．２典型水冷包层研究状况逡逑１．２．１水作为冷却剂的优点逡逑（１）与气体相比，冷却水的定压比热大，载热能力强。因此，在相同的热逡逑流载荷下，，冷却水在较小的泵功率下，即可对结构材料实现冷却。冷却水在裂变逡逑商业堆（ＢＷＲ和ＰＷＲ）中已得到广泛的应用，如图１．３所示，而且国内外相关逡逑单位也在积极研发超临界水堆（ＳＣＷＲ），成熟的技术和完整的工业体系为聚变逡逑堆包层设计提供了参考。逡逑：一邋＃逡逑ｒｅ邋Ｓｆｒ逡逑图１．３裂变堆冷却水的应用逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL64

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