CFETR偏滤器热工水力设计与分析优化

发布时间：2020-11-07 07:57

　　 CFETR(中国聚变工程试验堆)是我国在参加ITER项目的同时,开展的关于磁约束聚变堆工程可行性的研究项目。它目标为氚自持的前提下获得50-200MW的聚变功率,目前正在进行工程概念设计。它的大小半径分别为5.7m和1.6m,等离子体电流为10MA。在CFTER设计中,偏滤器设计是关键的工作之一。偏滤器的作用：1)控制等离子体边界2)排出热量和氦灰3)减少主等离子杂质的作用。由于偏滤器要接受来高粒子密度和高热负荷,还有来自芯部等离子体和偏滤器区域等离子体的辐射,在这样的极端热流条件下下,偏滤器的热工水力设计是 一个非常重要的课题。本文首先从核能的发展,磁约束核聚变装置的研究现状切入,引述到中国的工程聚变实验堆CFETRo在了解CFETR托卡马克装置的基本参数后,进而在物理设计得到的磁场位形基础上开展工程设计。通过比较不同的磁场位形设计,选择成熟的类ITER偏滤器位形来建立具有较宽范围等离子体位形适应性的偏滤器结构。偏滤器的整体设计采用Cassette盒体式设计概念,第一壁靶板采用Monoblock结构。在偏滤器的选材问题上根据不同模块的材料要求选择合适的不同的材料。 CFETR偏滤器的热工水力设计分析是本文的重点。对于每一个CFETR偏滤器模块采用的是一进一出的冷却管路布置方式,以环向上45°对偏滤器的60个模块分组并联组成一个回路模块,再通过一条主水管给回路模块供水。在每一个模块中,靶板上的Monoblock结构之间采用并联冷却,而在盒体支撑、Dome板、返流板、内、外靶板之间采用的是串联冷却。 随后,本文对所设计的偏滤器结构,进行了热工水力和结构应力分析,以验证设计是否满足要求。首先通过偏滤器的压降分析来调整偏滤器的结构,主要通过简化管路复杂性,增大偏滤器的主管路口径,圆滑结构的尖锐处和冷却管路弯道这三种,方式从结构设计上降低压降。其次是在特定的热流边界条件下,通过ANSYS热工水力学模拟从以下几个方面考查热工水力设计的合理性：偏滤器结构材料的温度是否低于材料的许用运行温度；偏滤器上的临界热流安全因子是否大于设计标准1.4；整个冷却管道的压降是否在参考值以内；偏滤器运行时冷却水的状态是否为假定的单向流状态。通过这几个方面对圆形光管,加比率为4的扰动片和比率为2的扰动片管这三种,偏滤器靶板冷却结构进行评估分析,确定出入口冷却水流量的合理窗口范围。并考虑到偏滤器的冷却效率问题,分析确定加扰动比率为2的扰动片的冷却结构最佳。它的冷却水入口流量窗口为5.82kg/s至12.75kg/s。在最小的流量条件下,它消耗的最小泵机功率为1.9KW。最后,以热工水力学分析得出的最佳结构作为应力分析的结构,在保守的弹性材料假定下,通过它在不同入口流量条件下的Von-mises应力与3倍许用应力之间的比较,得出冷却水的最小入口流量为5.18kg/s。所以在上述的水力学入口参数条件下,加比率为2的扰动片的偏滤器冷却结构是能够满足材料应力要求的。 本文最后分析讨论了上述偏滤器结构在高热载荷条件下的结构性能。放宽对压降的要求,增加偏滤器冷却水主管路的壁厚,并考虑材料塑性变形,模拟分析得出在高热载荷的情况下上述的偏滤器在各种不同热载荷条件下的运行寿命和极限热流密度。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：

图2.1 CFETR偏滤器线圈位置及偏滤器位形：类ITER、雪花和超级X超级X偏滤器是通过特定的偏滤器磁场位形，使得X点到偏滤器勒1板的距离很长，同吋增加了偏滤器区域的空间及偏滤器祀板的表面积，从而使来自于等离子体区域的高能粒子在偏滤器区域有更多的机会_相对低温的中性粒子碰撞将能it均匀福射至偏滤器表而，进而使偏滤器表面的热负荷有效降低且均匀化。雪花偏滤器通过二级零点和一级零点来形成一个六极形的偏滤器磁场位形，使偏滤器区域的磁力线扩张，从而使祀板接受高热流的表面积增加，以缓和热负荷，其他装置如TCV[13]和Dm-D[14]的雪花偏滤器设计和实验表明，IE板热负荷降低因子可大于4。由于超级X偏滤器的结构设计的复杂性，CFETR偏滤器结构设计中暂吋没有考虑，而雪花偏滤器的二级零点要求更高的电流来形成磁场位形，然而由千CFETR是一个超导托卡马克，它的线圈距离主等离子很远，很难形成理想的雪花偏滤器位形，达不到预期的磁力线膨胀系数及降低热负荷的效梁。所以CFETR采用了和ITER实验堆相似的类ITER偏滤器位形，这种位形通过前人的研究已经积累了大量的研究成果，可以为CFETR的偏滤器设计提供基

ITER偏滤器 CFETR偏滤器图2. 2 ITERffi滤器ijCFETR类ITEIl偏滤器对比与这两块勒板相交在祀板的K部，/1丨此处承受农似欠热钱荷，所以/1:这m的冷却结构也做了特殊的处理，将在「章中详细阐述。在垂直紀板的屮间，有-块隆起的Dome板州以实现相对封闭式的偏滤器位形，减少偏滤器区域的杂质向主等离子反向扩散。fl: Dome板和垂直勒1板之叫设置有两块返流板以增大V型区域内的气体压力有利于綿射偏滤器的获得。返流板和垂直祀板之间留有缝隙供菜机抽走杂质粒子。在内外垂直祀板的上方与包层接壤处有障板(Baffle)保护偏滤器的上部免受高热流的侵烛。对于各个部件的布局也有-定的空间要求：1)耍尽量使勒板与LCFS磁力线有较小的交免，以扩大紀板承受热负荷的而积，降低单位而积上的热负荷；2)在有限的空M屮，要尽量扩大X点与祀板上的打丨点之丨〗|!的距离，增j]l丨高能粒子与偏滤器区域屮中性粒子的碰撞，使高能粒子的能丨ri：尽可能多的福射t彳(，改善祀&打m点处的极端情况；3)要考虑到偏滤器.?其他部件之1K1的几何干涉问题，留出足够的空fHj安装屏蔽色层和接口部件4)通过Dome板要形成_ ?个相对封闭的偏滤器区域

最多的是液态金属Pb — 17Li增殖剂。{H是其本身的导电性和境造成的MHD效应还未能研究清楚，所以这种冷却剂还存在21-25]。氦气的优点在于其不容易与其他物质发生化学反应，相变不用考虑单相流和沸腾传热问题，与液态金属相比没有M引起的密度变化导致的重力改变，而且氦冷■要的压强比水冷700?800°C比水冷高，其发电效率比水冷高。然而其相对较低成熟技术研究制约了其发展[26-31]。CFETR偏滤器冷却系统冷却技术为原则，其.:k要介质为水，就是使带有?定压力和流器的各模块，达到及吋将所承受的高热负荷移出偏滤器，同时的温度在许用范围之内。内外垂直祀板受到由主等离子体逃逸出的高能粒子的撞击，受的热载荷是等离子的福射热,所以垂直祀板上的热载荷是最的热载荷[32](如阁2.3)分布上也是如此的。冷却水应该按的顺序冷却，所以冷却水流过CFETR偏滤器各模块的顺序依、内祀板、盒；体、内返流板、Dome、外返流板和盒体[33]。CF模块的冷却流程如閱2. 4所示，
【引证文献】

相关硕士学位论文 前1条

1 刘秀;CFETR偏滤器靶板概念设计与分析[D];中国科学技术大学;2016年

本文编号：2873663