CFETR第一壁结构材料辐照蠕变寿命分析

发布时间：2020-11-05 12:59

　　 中国工程聚变实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)包层第一壁处在高热流密度(0.3MW/m2)、高能中子辐照(14MeV)和高速冷却剂冲蚀(300-500℃)等恶劣服役环境中,并且CFETR第二发展阶段具有更高的功率和服役温度。第一壁作为服役环境最恶劣的部件之一,它的更换是非常昂贵,耗时并且具有潜在的放射性危险,所以其服役寿命直接关系到聚变堆的安全性和可行性。因此聚变工程设计需要重点考虑第一壁的服役寿命。本文首先总结了国内外聚变候选结构钢的发展路线和典型材料,又介绍了辐照蠕变的微观机制和模型包括SIPN模型、SIPA模型等。此外本文利用ANSYS有限元方法对CFETR氦冷固态包层第一壁双流道模型进行流固耦合的热-机械分析,计算不同表面热流、不同第一壁厚度和不同冷却剂入口温度条件下第一壁的温度和应力分布。其结果显示随着热流密度的升高、壁厚的增加和冷却剂温度的提升,其服役温度和应力均具有不同程度的升高,并且最大温度和最大应力均出现在U型流道的拐角处,然后本文结合三类结构钢的辐照蠕变断裂实验和Larson-Miller模型方法,得到特定材料的L-M蠕变寿命外推模型。本文进一步分析候选结构材料的St和Sm,铁素体/马氏体钢PNC-FMS和9Cr-ODS钢在辐照环境下St没有明显的降低,其辐照蠕变性能受辐照影响较小。而奥氏体钢在辐照环境下St有很大程度的降低。PNC1520均具有优于PNC316钢和15-15Ti钢的热蠕变St和辐照蠕变St。而对比15-15Ti和316的辐照和辐照后蠕变寿命可知,不能简单的利用辐照后蠕变来代替辐照蠕变。此外探究表明冷加工对提升奥氏体热蠕变寿命具有一定的作用,但由于冷加工奥氏体钢辐照后延性损失更大,冷加工并没有提升奥氏体钢的辐照后蠕变寿命。论文计算和分析了PNC316、PNC1520、DIN1.4970、PNC-FMS、9Cr-ODS 等钢种作为 CFETR 氦冷固态包层结构材料时的辐照蠕变寿命,并探究第一壁设计参数对辐照蠕变寿命的影响。结果表明CFETR第一壁辐照后蠕变寿命分别随热流密度、壁厚和冷却剂入口温度的增大而减小。考虑可接受的寿命,热流密度、壁厚和冷却剂入口温度等设计参数均有不同程度的提升空间。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL64
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 CFETR
        1.1.2 第一壁服役环境
    1.2 第一壁候选结构材料
        1.2.1 奥氏体钢
        1.2.2 铁素体/马氏体钢
        1.2.4 氧化物弥散强化钢
    1.3 第一壁结构钢服役寿命研究现状
    1.4 研究目的、意义和主要内容
第二章 辐照蠕变原理
    2.1 辐照蠕变
    2.2 辐照蠕变微观机制
        2.2.1 辐照蠕变微观模型
        2.2.2 应力的影响
        2.2.3 温度的影响
        2.2.4 氦泡的影响
    2.3 辐照蠕变寿命分析模型
        2.3.1 辐照蠕变寿命
        2.3.2 B+DS模型介绍
        2.3.3 Larson-miller模型介绍
    2.4 本章小结
第三章 第一壁模型和蠕变寿命分析方法
    3.1 材料热物性参数
    3.2 CFETR第一壁模型
    3.3 服役环境计算模拟
    3.4 结构钢L-M模型参数
    3.5 本章小结
第四章 CFETR第一壁结构钢的许用应力
    4.1 第一壁热-机械设计标准
    4.2 奥氏体钢的许用应力
        4.2.1 辐照的影响
        4.2.2 冷加工的影响
        4.2.3 Ti元素的影响
    4.3 本章小结
第五章 CFETR第一壁结构钢辐照蠕变寿命评估
    5.1 热流密度的影响
    5.2 第一壁厚度的影响
    5.3 冷却剂入口温度的影响
    5.4 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
致谢

【参考文献】

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本文编号：2871666