托卡马克装置面向等离子体防护部件疲劳分析
发布时间：2020-08-25 03:05
【摘要】：随着核聚变科学研究的不断深入,托卡马克装置的运行参数不断提高。为进一步展开边界等离子体物理的研究,核工业西南物理研究院对HL-2A托卡马克装置进行升级改造。目前,HL-2M托卡马克装置正在设计建造中,偏滤器作为托卡马克装置真空室内部组件,直接面向等离子体。装置运行在高约束模式下,等离子体中磁流体不稳定性现象产生的高能量粒子进入刮削层并沿磁力线运动,最终轰击在偏滤器靶板上。这种能量可以达到兆瓦级别造成打击点处高温升和高热应力,并且该热应力循环周期与装置的运行周期保持一致,这可能会在不同材料连接处发生疲劳问题。因此,该研究主要对HL-2M偏滤器上关键部件的热疲劳性能进行仿真,验证偏滤器结构设计的可靠性和有效性。基于核工业西南物理研究院科研人员使用SOLPS程序数值模拟计算的HL-2M装置高参数运行时,雪花减位形下偏滤器靶板表面的热负载分布,本文使用有限元软件进行以下工作:1、使用有限元法对HL-2M装置高参数运行时,雪花减位形下偏滤器的CFC层和热沉层进行瞬态传热分析,得到靶板不同组件的温度场分布,对靶板的热性能进行评估,分析材料的安全性,结果显示各部件温度均在材料的承受的温度范围内,不会产生熔融损伤。2、将靶板瞬态传热分析得到的温度场分布作为热-结构耦合分析的输入条件对偏滤器结构的机械性能进行仿真计算,从而获取偏滤器的热应力场分布,分析结构可能发生塑性变形的区域,发现拱顶外侧抽气口尖角位置4 mm区域发生塑性形变;提取螺栓轴向拉力和法向剪切力,利用传统公式对螺栓应力进行计算;模拟偏滤器在110℃、250℃、300℃烘烤条件下的受力情况,发现300℃烘烤时支撑块可能产生塑性变形;针对300℃条件下支撑块添加垫片前后应力的变化进行对比分析,加垫片后支撑块上的应力不会超出材料的屈服应力。3、对偏滤器进行循环应力分析,针对可能发生的棘轮失效行为进行评判,发现偏滤器结构设计良好不会发生棘轮损伤。结合ITER装置真空室内部器件结构设计规范对HL-2M装置偏滤器靶板不同部件的疲劳寿命进行预测,结果显示内靶板、外靶板和拱顶均满足设计要求。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631.24
【图文】：
人类对能源的需求也不断增高。近几十年，由于发达国家能源需求的持续增长以及发展中国家工业化和城市化进程的不断推进，能源需求迅猛增长，能源问题越来越受到人们的关注。全球和部分国家地区的能源消费结构如图1-1所示[1]，煤炭、石油和天然气在能源供应中占比超过四分之三，占据绝对地位。但是，化石能源在地球上储藏量有限，其形成需要经历漫长的周期。目前人类大量使用化石能源，大量的废气没有经过处理直接排向大气。废气中的碳化合物、硫化合物、氮化合物、烟尘等物质，对人类的身体健康存在不利的影响；除此之外，还可能在大气中经过复杂的反应产生酸雨、雾霾、温室效应等问题。这些物质大量排放，一旦达到环境承受能力的临界点将对环境产生不可逆转的影响。因此，人类一直在着力寻找更加清洁可供人类长久使用的能源。(a) (b)(c) (d)图 1-1 全球和
使用太阳能进行电力生产对天气条件要求严苛，在不良天气条件下就不能够产生稳定的电力供用户使用，如图1-2 所示的是位于美国内华达州和加利福尼亚州交界处的伊凡帕太阳能发电站。使用风能发电的原理是依靠大自然中的风吹动发电机组的扇片转动，从而带动发电机组转动产生电能，优缺点同太阳能发电相似，优点是绿色清洁并且风能在地球上分布广泛，缺点是受季节气候条件的影响明显，没有稳定的风力就不能为人类提供稳定的电力能源，并且给电网运行带来一定的挑战。水力发电主要是利用水的势能推动发电机旋转产生电力，是一种相对稳定可靠地能源，并且我国地势西高东低，具有丰富的水力资源。但水力发电受地形影响较大，远远不能满足我国日渐增长的能源需求，并且大坝的修建可能会对附近水域的生态环境产生不良后果，影响生物多样性。这些可再生能源存在的种种局限性使得它们无法保障人类的能源需求。图 1-2 伊凡帕太阳能发电站随着物理学科的进步，科学家发现在重元素裂解和轻原子聚合的过程中会产生质量损失并释放巨大的能量，这种巨大的能量不是简单地倍数关系，释放相同的能量所消耗的化石燃料的质量比消耗核燃料质量高六个数量级，这无疑为解决人类能源问题提供新思路。重元素裂解也就是常说的核裂变，利用慢中子轰击重
第一章 绪论元素生成的产物中就会包含两个中子，从而形成链式反应实现燃料的自目前核裂变发电早已商用，核裂变发电不会向大气中排放有毒有害的危更不会加剧地球温室效应等问题，释放的能量十分巨大。但核裂变反应元素一般具有放射性并且这些元素的衰减周期长，对人类和环境具有不投资成本高、风险大、核废料的处理甚至可能引发地缘政治问题。2011 事故，其产物中包含放射性元素碘，极易被海水及水生物吸收向人类传人们对核裂变发电焦虑的情绪，泄露核心区域机器人都无法进入，福岛生后堆内烧蚀的照片如图 1-3 所示[2]。
本文编号：2803180
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631.24
【图文】：
人类对能源的需求也不断增高。近几十年，由于发达国家能源需求的持续增长以及发展中国家工业化和城市化进程的不断推进，能源需求迅猛增长，能源问题越来越受到人们的关注。全球和部分国家地区的能源消费结构如图1-1所示[1]，煤炭、石油和天然气在能源供应中占比超过四分之三，占据绝对地位。但是，化石能源在地球上储藏量有限，其形成需要经历漫长的周期。目前人类大量使用化石能源，大量的废气没有经过处理直接排向大气。废气中的碳化合物、硫化合物、氮化合物、烟尘等物质，对人类的身体健康存在不利的影响；除此之外，还可能在大气中经过复杂的反应产生酸雨、雾霾、温室效应等问题。这些物质大量排放，一旦达到环境承受能力的临界点将对环境产生不可逆转的影响。因此，人类一直在着力寻找更加清洁可供人类长久使用的能源。(a) (b)(c) (d)图 1-1 全球和
使用太阳能进行电力生产对天气条件要求严苛，在不良天气条件下就不能够产生稳定的电力供用户使用，如图1-2 所示的是位于美国内华达州和加利福尼亚州交界处的伊凡帕太阳能发电站。使用风能发电的原理是依靠大自然中的风吹动发电机组的扇片转动，从而带动发电机组转动产生电能，优缺点同太阳能发电相似，优点是绿色清洁并且风能在地球上分布广泛，缺点是受季节气候条件的影响明显，没有稳定的风力就不能为人类提供稳定的电力能源，并且给电网运行带来一定的挑战。水力发电主要是利用水的势能推动发电机旋转产生电力，是一种相对稳定可靠地能源，并且我国地势西高东低，具有丰富的水力资源。但水力发电受地形影响较大，远远不能满足我国日渐增长的能源需求，并且大坝的修建可能会对附近水域的生态环境产生不良后果，影响生物多样性。这些可再生能源存在的种种局限性使得它们无法保障人类的能源需求。图 1-2 伊凡帕太阳能发电站随着物理学科的进步，科学家发现在重元素裂解和轻原子聚合的过程中会产生质量损失并释放巨大的能量，这种巨大的能量不是简单地倍数关系，释放相同的能量所消耗的化石燃料的质量比消耗核燃料质量高六个数量级，这无疑为解决人类能源问题提供新思路。重元素裂解也就是常说的核裂变，利用慢中子轰击重
第一章 绪论元素生成的产物中就会包含两个中子，从而形成链式反应实现燃料的自目前核裂变发电早已商用，核裂变发电不会向大气中排放有毒有害的危更不会加剧地球温室效应等问题，释放的能量十分巨大。但核裂变反应元素一般具有放射性并且这些元素的衰减周期长，对人类和环境具有不投资成本高、风险大、核废料的处理甚至可能引发地缘政治问题。2011 事故，其产物中包含放射性元素碘，极易被海水及水生物吸收向人类传人们对核裂变发电焦虑的情绪，泄露核心区域机器人都无法进入，福岛生后堆内烧蚀的照片如图 1-3 所示[2]。
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 蔡立君;刘德权;冉红;李勇;曹曾;;等离子体破裂时HL-2M真空室的结构应力分析[J];核聚变与等离子体物理;2011年02期
2 林尊琪;;激光核聚变的发展(邀请论文)[J];中国激光;2010年09期
3 李勇;刘德权;冉红;蔡立君;曹曾;李强;;HL-2M真空室截面形式及重力支撑的初步分析[J];核聚变与等离子体物理;2009年03期
4 蒋婧;冉红;刘德权;程发银;白刚毅;;HL-2A偏滤器结构改造及热负荷分析[J];核聚变与等离子体物理;2006年01期
5 张洪武,顾元宪,钟万勰;传热与接触两类问题耦合作用的有限元分析[J];固体力学学报;2000年03期
本文编号：2803180
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