CFETR氦冷固态包层热工水力分析及优化
发布时间：2020-10-26 18:17
能源与环境问题是影响人类社会发展的关键,聚变能作为解决能源问题的可能途径之一,具有燃料供应充足、热值高、放射性低、环境友好等优点,聚变能因其清洁性、安全性及可再生性受到广泛关注。 CFETR是参考国内现有托卡马克和ITER技术基础设计和建造的一个聚变工程实验堆。它介于ITER与聚变示范堆之间,旨在基于ITER等离子体物理和聚变技术基础,验证聚变堆的工程实现具体技术,是聚变能走向商用的关键一步,对中国聚变能商业化应用具有重大意义。 包层是聚变能走向实际应用的核心载体,其主要功能：氚增殖,维持聚变堆反应所需的氚,实现氚自持；能量增殖,将聚变产生的能量转换为可利用的热能或者电能等；辐射屏蔽,减少放射性物质的扩散,保护磁体材料等,包层性能是聚变堆设计的重要依据,其系统安全性是未来聚变堆能否可靠运行的决定性因素之一。 本文CFETR氦冷固态包层为研究对象,基于计算流体力学理论,结合有限元分析、流固耦合分析方法,采用ANSYS CFX和ANSYS Workbench软件中的Static Structure模块对CFETR氦冷固态包层第一壁和增殖单元进行了流固耦合分析及应力分析,并根据模拟结果进行了第一壁及增殖单元的优化设计及验证分析。 首先,根据计算流体力学、有限元方法及耦合原理建立了数学模型；然后,结合CFETR氦冷固态包层功能及其设计特点,运用CATIA建模软件建立了符合实际的分析模型；其次,运用ANSYS CFX对增殖包层冷却结构进行流固耦合分析得到了第一壁、增殖单元的温度分布、冷却剂的流场分布规律；最后,使用ANSYS Workbench软件,将前面得到的结构材料的温度分布作为边界条件对冷却结构进行应力分析,得到包层冷却结构的应力分布。 基于分析数值模拟结果,结合CFETR氦冷固态包层设计要求和已有的经验数据,优化设计了第一壁及增殖单元且验证了优化方案的合理性、可靠性。为CFETR氦冷固态包层优化设计提供了数据支持及参考,对CFETR氦冷固态包层工程设计的进一步完善具有重要意义和应用价值。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL64
【部分图文】：
磁约束托克马克装置图
-氦冷陶瓷包层设计目的主要是验证中国示范聚变堆（DEMO)的氖增殖技术。氦冷固态包层的设计要求如下：包层模块的整体结构、技术要求、安全分析等必须满足CFETR的总体要求；包层系统设计合理可行并达到系统氣增殖要求；冷却剂的选择及冷却系统的设计能实现高品质热量的获得和利用；包层冷却结构设计要能及时移除表面热流和体核热，使整个包层系统的温度和应力控制在允许的限度内；包层设计过程中所用到的设计工具，包括中子学计算、电磁计算、热工水力计算及结构计算的数据结果均需反复校验。2.1包层系统描述HCPB包层系统主要由增殖包层（增殖氖，沉积热等）和屏蔽包层（屏蔽磁体上的快中子通量及核热等）两部分组成；其他辅助系统包括包层支撑系统；氣提取系统（移除氣，控制和处理）；氦冷系统(热转移，热交换)；冷却剂净化系统（氦净化）；增殖包层远程控制系统（远程控制关联到整个包层系统）等。包层在真空室内的位置如图2.1所示。增殖包层通过柔性支撑和一系列键和键槽固定在支撑背板上，支撑背板通过螺栓安装于屏蔽包层，屏蔽包层直接安装在真空室内壁。
面一周布置了 10个模块，其中1-5号为Inboard模块、6-10为Outboard模块，1-5号模块环向32块，6-10号模块环向56块，总计440块包层模块，如图2.2所示。^^1 }图2.2包层模块总体分布图Figure2.2 Integration of general blanket module2.2包层模块设计如图2.3，HCPB包层模块由U形第一壁、盖板、背板、格板、增殖单元等结构组成；其设计特点如下：第一壁、上下盖板、背板构成封闭的包层盒体空间，第一壁是包层结构直接面对等离子体的部件，多个背板组成不同的分流腔体，包层盒体内部由环径向格板构成了增殖单元空间，陶瓷增殖剂和中子倍增剂以小球的形式包含在该空间内，环径向格板煌接在包层盒体的前壁和侧壁；包层盒体结构由8MPa的氦气冷却，入口温度为30(rC,出口温度为50(rC;增殖区和铍区产生的氣由氖提取系统提取，提氣气体为He+0.1%H2
【参考文献】
本文编号：2857341
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL64
【部分图文】：
磁约束托克马克装置图
-氦冷陶瓷包层设计目的主要是验证中国示范聚变堆（DEMO)的氖增殖技术。氦冷固态包层的设计要求如下：包层模块的整体结构、技术要求、安全分析等必须满足CFETR的总体要求；包层系统设计合理可行并达到系统氣增殖要求；冷却剂的选择及冷却系统的设计能实现高品质热量的获得和利用；包层冷却结构设计要能及时移除表面热流和体核热，使整个包层系统的温度和应力控制在允许的限度内；包层设计过程中所用到的设计工具，包括中子学计算、电磁计算、热工水力计算及结构计算的数据结果均需反复校验。2.1包层系统描述HCPB包层系统主要由增殖包层（增殖氖，沉积热等）和屏蔽包层（屏蔽磁体上的快中子通量及核热等）两部分组成；其他辅助系统包括包层支撑系统；氣提取系统（移除氣，控制和处理）；氦冷系统(热转移，热交换)；冷却剂净化系统（氦净化）；增殖包层远程控制系统（远程控制关联到整个包层系统）等。包层在真空室内的位置如图2.1所示。增殖包层通过柔性支撑和一系列键和键槽固定在支撑背板上，支撑背板通过螺栓安装于屏蔽包层，屏蔽包层直接安装在真空室内壁。
面一周布置了 10个模块，其中1-5号为Inboard模块、6-10为Outboard模块，1-5号模块环向32块，6-10号模块环向56块，总计440块包层模块，如图2.2所示。^^1 }图2.2包层模块总体分布图Figure2.2 Integration of general blanket module2.2包层模块设计如图2.3，HCPB包层模块由U形第一壁、盖板、背板、格板、增殖单元等结构组成；其设计特点如下：第一壁、上下盖板、背板构成封闭的包层盒体空间，第一壁是包层结构直接面对等离子体的部件，多个背板组成不同的分流腔体，包层盒体内部由环径向格板构成了增殖单元空间，陶瓷增殖剂和中子倍增剂以小球的形式包含在该空间内，环径向格板煌接在包层盒体的前壁和侧壁；包层盒体结构由8MPa的氦气冷却，入口温度为30(rC,出口温度为50(rC;增殖区和铍区产生的氣由氖提取系统提取，提氣气体为He+0.1%H2
【参考文献】
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本文编号：2857341
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