CFETR氦冷固态包层结构热—机械性能分析

发布时间：2020-07-23 20:38

【摘要】：根据“中国磁约束聚变能发展路线图”,中国聚变工程实验堆CFETR一期工程将实现约200 MW的聚变功率、等离子体稳态或者长脉冲运行和氚自持。聚变堆的氚增殖包层是实现氚自持的核心部件,氚增殖包层除了增殖氚外,还承担着提取与转换能量、屏蔽辐射等功能。因此,包层需要满足中子学、热工水力学、结构力学和安全等多方面的要求,这使得包层设计成为一个富有挑战性的工作。为支持CFETR的研究与发展,本文对CFETR的一种氦冷固态包层开展了系统的热-机械性能评估,为CFETR氦冷固态包层下一步的设计研究提供重要参考。本文对CFETR氦冷固态包层开展了稳态热分析和脉冲运行状态下的瞬态热分析,并对包层温度场多方面影响因素进行了研究,开展了球床参数、热工水力参数和球床-壁面接触热阻对包层温度场的影响研究。稳态热分析得到了包层各部件的温度分布,各部件均满足材料的温度限值,温度场将作为包层结构在非循环载荷下热机械性能评估(M-type)的输入条件。脉冲运行下的瞬态热分析得到了包层温度随脉冲变化的规律。启堆时包层各部件的温度随着热载荷的增加而升高,其中第一壁的温度升高要比增殖区快；停堆过程,第一壁温度降低也要快于增殖区。启堆和停堆过程中第一壁和增殖区之间的温度差会造成较大的热应力。瞬态热分析的结果是包层结构在循环载荷下热机械性能评估(C-type)的输入条件。包层温度场多方面影响因素研究表明球床填充因子和小球尺寸对包层温度场的影响较小。球床有效热导率对球床温度场具有较大影响。减小球床有效热导率会导致球床温度显著增加；而当球床有效热导率增加的一定程度,球床温度趋于稳定不变。随着冷却剂入口流量的增加(降低),包层温度随之降低(升高)。当流量增加到一定程度,包层温度不再显著降低。球床与冷却板最高温度随冷却剂入口温度升高呈线性增加,但增加幅度较小。由于增加流道粗糙度会在加强换热的同时极大地增加压降,因此不建议在冷却板流道加粗糙度。球床-壁面接触热阻对球床温度具有一定的影响,不过当前包层方案能够很好地缓解球床-壁面接触热阻的影响。即使球床与壁面发生完全脱离,球床和结构材料仍能满足温度限值。当前的包层方案具有良好的热学性能。在包层热分析的基础上,对包层结构的机械性能进行了分析。基于ITER真空室内部部件结构设计标准SDC-IC,给出了包层结构强度评定准则和方法。在不考虑电磁载荷作用下,对包层结构开展了非循环载荷下的应力分析(M-type),并对包层进行了详细的M-type失效模式的性能评定,结果显示包层结构能够很好地满足M-type失效模式的评定准则。接着对包层结构高温部件开展了循环载荷下的应力分析(C-type),并基于SDC-IC标准对包层进行了详细的C-type失效模式的性能评定。热机械性能评估表明CFETR氦冷固态包层在正常工况下热机械性能优良。然后对包层进行了初步FFMEA分析,得到了包层的参考事故。基于SDC-IC标准Level D Criteria对包层结构在典型事故In-box LOCA下的热-机械性能进行了详细的评估。结果显示此包层方案在此事故下仍具有良好的机械性能。本文所开展的研究可为将来CFETR包层设计优化提供重要参考。
【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】：2016
【分类号】：TL64
【图文】：

图１．２２核工业西南物理研究院氯冷圃态包层结构图逡逑中

本文编号：2767811