中国聚变工程实验堆氦冷固态包层结构设计与热工水力分析研究

发布时间：2020-09-21 21:33

　　中国聚变工程实验堆(CFETR)是一个介于国际热核聚变实验堆(ITER)与未来聚变示范堆之间的聚变实验装置,目前正处于设计阶段。CFETR的主要目标是为了实现聚变功率为50-200MW长脉冲或稳态运行,验证聚变堆氚自持,探索远程操作技术以及获得示范堆级别聚变电站许可文件的技术途径。包层是CFETR的核心部件之一,要求在CFETR提供的有限空间内获得较高的氚增殖性能以满足堆的氚自持要求,这使CFETR包层设计具有很大挑战性。本论文的主要工作是基于CFETR设计了一种产氘性能较好,并且结构比较简单、冷却剂压降比较小的氦冷固态包层结构,对典型包层模块进行了热工水力学分析研究,初步评估了包层设计方案的合理性,同时对包层的结构以及热工水力学性能进行了优化,将为包层的进一步设计研究提供重要基础和参考。对典型包层模块进行了详细结构设计和热工水力学分析。采用多层U形球床作为氚增殖区结构,使包层结构更加简单。提出紧凑型气体联箱设计,为包层氚增殖区争取了更多空间,有利于提高包层氚增殖性能。部件内流道布置方式简单灵活,并且冷却剂的压力损失比较小。基于包层结构设计,三维中子学初步分析结果显示目前包层方案能够满足CFETR氚自持要求。根据中子学计算提供的热源数据,从部件的冷却需求、冷却剂的冷却效果和包层结构的复杂程度等方面考虑,建立了氦气在包层模块内的流动方案,并分析了各部件流道内氦气的质量流率、温度和压降。采用理论分析与有限元数值模拟相结合的方法评估了典型包层模块的热性能。分别考察了在第一壁面向等离子体的壁面受到平均和最大表面热流作用时包层模块的温度分布,结果显示即使第一壁承受最大表面热流作用,包层模块各区域的温度分布也能够满足材料许用温度限制,由此验证了包层冷却方案的合理性。最后,从热工安全的角度分别分析了氦气流量损失和聚变功率失常激增对包层温度性能的影响。利用计算流体动力学软件对典型包层模块氦气联箱的氦气流量分配进行了分析。获得了各层氦气联箱内的氦气流动细节及联箱各出口的氦气流量分布情况,采用改变氦气进口尺寸和添加导流板的方法大大提高了氦气分配的均匀性。基于流量分析,考察了各氦气联箱的氦气压降性能,并通过优化联箱内部结构的布局尺寸使氦气压力损失显著降低。根据结构材料许用温度限值,评估了联箱壁面温度性能,并提取出联箱壁面的平均对流换热系数,可为将来开展联箱热应力分析提供重要参考依据。根据ITER真空室内部部件结构设计标准,利用有限元分析软件对典型包层模块进行了热-机械分析。在不考虑电磁载荷作用的条件下分别考察了包层模块在正常运行工况和盒内超压事故工况下结构的承载能力,提出利用冷却板加固盖板的方法提高包层的结构强度以抵抗盒内超压事故,并通过分析验证了方法的有效性,可为将来包层结构的进一步优化设计提供重要参考。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL411;TL33
【部分图文】：

实验堆,热核聚变,结构示意图,等离子体

图1.1 W际热核聚变实验堆ITER结构示意图的主要技术目标足|171: (1)文现感应电流驱动等离子体持续燃烧，助加热功率之比Q 2 10，MT+排除控制点火的|」丨能性；（2)卜的非感应电流驱动等离子体稳态运行；（3)演示聚变堆关键技

位置,拉长比,体电流,体表面积

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示意图,欧盟,子模块结构,子模块

图1.5欧盟HCPB-TBM结构小?意间俄罗斯丨24】罗斯的CHC-TBM是由两个独立的子模块构成，子模块沿极l(ij布置。BM懫用子模块结构设计可以使其史加灵活地与其他ITER参与方的共亨实验窗11,也会使一些部件的加:r.制造变得更加简单，而且可以同时独立的位层子模块进行实验。CHC-TBM子模块采用径-极-径向U形第构，图1.6所示为CHC-TBM中位于极向上部的子模块结构示意图。子

【参考文献】