聚变示范堆氦冷固态增殖剂包层第一壁热强度分析及结构优化研究

发布时间：2020-08-28 04:22

【摘要】：当今能源问题越来越突出，传统的煤、石油、天然气能源匮乏以及使用带来的生态破坏、温室气体、空气污染等是人类当前面临的困难之一。高效、清洁、环保的能源形式替代传统化石能源变得更加紧迫。核聚变所需的燃料由于自然界中非常丰富，其产物放射性低，几乎不产生对环境具有破坏的物质。因此，人们认为核聚变能清洁、高效、取之不近，它是最有效解决能源问题的途径。在示范聚变反应堆（Demonstration Power Plant，DEMO）中，实现低发电成本与能量转换部件的包层模块具有高温环境适应性，氦冷固态陶瓷氚增殖剂铁素体/马氏体钢（He-Cooled/Solid Ceramic/Be/F/M Steel，HCSB）是众多冷却方案和包层设计中被各国普遍采用的方式。本文以包层第一壁为研究对象，通过多物理耦合数值模拟，针对热环境下Be/Eurofer97层状界面结构强度、第一壁结构优化及动力学等科学问题进行分析和研究。研究包层模块第一壁热环境下Be/Eurofer97钢层状界面及整体结构强度特征，得到界面周围应力达到最大，而界面处出现应力下降很快的现象，及中间扩散层厚度对应力及温度分布的影响规律。然后，基于ANSYS Workbench中的计算流体动力学软件CFX和计算静力学程序，通过单向热流固耦合数值模拟分析得到设计的第一壁应力分布和相应危险区域，这里同时考虑到第一壁中防护层和热沉结构各自的许用要求。研究防护层厚度、流道结构及第一壁结构材料前侧厚度三种结构参数对第一壁温度和应力分布及各自最大值的影响，科学合理考虑这些结构参数对第一壁的整体影响，提出第一壁结构的优化设计方案。结果表明，优化后的第一壁可以有效实现降低第一壁中防护层和热沉结构各自危险部位的最高温度和最大应力目的。本文针对优化后的第一壁，进行结构动力学分析，得到了第一壁的各阶固有频率和振型，为有效预防实际工况下共振造成第一壁结构的疲劳、碰撞、变形等提供科学依据。在此基础上，采用双向流固耦合的方法，进一步分析内部具有高速流体流动时，第一壁的振动情况。这些从工程和科学角度，为后续深入的包层模块结构动力学分析奠定分析基础。本文对聚变堆包层模块第一壁的设计、热强度分析、结构优化及振动分析开展的工作，对增强聚变环境下第一壁整体的机械性能和可靠性具有一定的参考意义。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL64
【图文】：

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示意图如图 1-1 所示）是核聚变研究中非常重要的国际项目，它主要是为了验证聚变反应堆的工程可行性而建造的热核聚变实验堆。目前，中国、俄罗斯、欧盟、韩国、美国、印度和日本是参于 ITER 计划的七个成员国，位于法国境内的卡达拉舍(Cadalache)被作为建造 ITER 的地方。

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图 1-2 TBM 与 ITER 和示范堆的关系连接 ITER 与 DEMO 的重要部件是 TBM。DEMO 包层模块与 ITER 实验包设计上采取了“act-like”的策略，通俗解释为“神似而形不似”[6]。2) DEMO 固态增殖剂包层模块概念设计方案由于示范堆包层概念设计当前还在研究阶段，根据国际聚变研究与技术的发正在发展的 DEMO 包层类型中，中国 DEMO 聚变堆选择氦冷却、固态锂陶、低活性铁素体马氏体钢（HCSB）作为包层概念的一种。选择 HCSB 作为 D模块的设计概念，最基本的原因是，ITER 的实验包层模块测试也要采用 H模块概念，到目前为止，具有非常广泛的实验数据支持。由于核聚变反应需要氚，其通过锂与中子反应生成，氚增值率（Tritium Breio，简称 TBR）是衡量产氚情况的参数，为了保证氚满足核聚变运行的需求增殖区，氚增殖剂通常是含锂的化合物或单质，与中子反应生成氚。为了给

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HCSB-DEMO三维结构示意图

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