超临界水冷固态增殖包层热工设计准则的初步研究

发布时间：2020-05-20 03:12

【摘要】：国际热核聚变实验反应堆（ITER）是中国参与的最大的国际合作项目之一，它对推动我国基础科学的发展和工程技术的进步具有重要意义。包层是聚变反应堆堆内产生的能量传输与转换的关键。就包层技术而言，如何保证包层能够得到充分、均匀地冷却以保证聚变堆维持高效、安全、可靠的运行，是包层课题需要解决的首要问题。目前，国际热核聚变实验反应堆各参与方已提出多种试验包层模块（TBM）方案，主要集中于水冷固态增殖包层、氦冷固态增殖包层、氦冷液态锂铅增殖包层、自冷液态增殖包层以及自冷熔盐包层。就氚增殖剂而言，参与计划的各方目前均采用固态增殖包层概念，就包层结构材料而言，低活化铁素体钢为首要候选材料。日本于1999年首先提出超临界水冷固态增殖包层概念设计，并积极着手开展将超临界水冷概念应用于聚变包层的相关技术基础研究。超临界水冷包层方案在保留水冷发电技术与经验在工程上成熟性与延续性（超临界火电、超临界水冷裂变堆）的基础上，有较高的热效率，是具有综合优势的一种聚变堆包层方案的选择。本文从传热与流动两个方面研究超临界水冷固态增殖包层的热工水力特性，并在研究的基础上，初步提出针对超临界水冷固态增殖包层热工设计准则。包层的稳态热工分析任务就是静态工况下良好地冷却整个包层系统，提供一个安全、可靠、经济的输热系统。第一壁是包层的关键部位，其热工安全性一定程度上决定了整个试验包层模块TBM的安全。本文针对超临界水冷固态增殖包层的第一壁结构进行额定工况下的稳态热工分析。首先，建立第一壁系统模型，确定正常运行工况下系统各参数。运用数值计算软件对额定运行工况下的第一壁进行稳态热工分析。在数值计算过程中，分析了网格敏感性，选定合适的湍流模型和网格数目，考察了湍流模型对计算结果的影响。数值模拟了不同系统参数对第一壁结构温度场、应力场的敏感性，特别地，对比了不同的冷却管道形状、几何参数、冷却剂流动方向下的第一壁结构中温度与应力大小、分布的差异，冷却剂传热的差异，为超临界水冷固态增殖包层热工设计提供热与应力耦合的基本量值关系。除了热与应力分析，本文还进行了超临界水冷包层的水力学研究。在超临界压力下，水在拟临界点附近的比热、密度等物性发生剧烈变化，，而不均匀的体积变化可能引起流动不稳定性现象，因此，对包层冷却剂流动稳定性的研究分析十分重要。本文采用频域分析法，使用Matlab编程对超临界压力水冷固态增殖包层内冷却剂的流动稳定性进行分析。首先根据超临界水冷固态增殖包层冷却系统结构，建立了几何模型，确定了系统参数和额定工况。在此基础上，运用频域法进行了超临界水冷固态增殖包层中冷却剂流动的稳定性分析：从基本控制方程出发，通过拉氏变换推演对应的特征方程，通过数值计算求解特征根，由此判明某运行工况下系统的流动稳定性特征；通过进一步计算，由冷却剂不同入口焓值及热功率条件下的稳定性特征得到系统相应的稳定性边界及稳定域。进一步地，本文还研究了系统进口与出口局部阻力等对系统稳定性边界的影响。上述这些工作为未来热工设计准则的提出及工程设计提供了有益的参考。在稳态热工和水力计算分析的基础上，初步提出了针对超临界水冷固态增殖包层的热工设计准则。
【图文】：

剖面图,聚变反应堆,整体结构,剖面图

图 1.1 聚变反应堆整体结构剖面图.1.1 Sectional view of the fusion reactor overall structure应堆的重要部件，需要产生和输运反应所需的氚发进行；将聚变反应产生的能量转换热能，由冷

包层,陶瓷,固态,日本

图 1.3 日本水冷固态陶瓷增殖包层方案Fig.1.3 Japanese water-cooled solid ceramic breeder blanket concep态陶瓷增殖包层虽然只是水冷包层的后备方案，但如果在料方面有突破，这种方案会比水冷有更高热效率，也具有
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL63

【参考文献】