聚变装置灰尘迁移及其带来的氢气风险研究

摘要

国际热核聚变实验堆（ITER）是一个托卡马克装置。在长期运行条件下，在快速原子、离子的轰击等作用下，ITER真空腔内会积累大量灰尘。在事故条件下，灰尘悬浮迁移带来的灰尘爆炸风险以及灰尘发生化学反应带来的氢气风险会严重威胁ITER的安全运行。
　　本课题采用计算流体动力学方法，从实验级和系统级两个层次对聚变装置灰尘的迁移分布特性及灰尘带来的氢气风险进行了数值研究，具体包括以下四个方面：
　　（1）建立了基于STARDUST实验装置的灰尘迁移计算模型，对灰尘物性以及障碍物对灰尘迁移特性的影响进行了分析，结果表明：当灰尘密度、粒径越小时，灰尘与气体的运动轨迹就越接近；当障碍物的存在阻挡了气流对灰尘的直接冲击时，就会极大地限制灰尘的迁移。
　　（2）建立了基于ITER装置的灰尘分布计算模型，分析了失真空事故（LOVA）条件下灰尘在ITER装置内的分布特性，结果表明：截面位置处灰尘体积分数的平均值，随着截面高度的增加先降低后趋于稳定；截面位置处灰尘体积分数的平均值，随着时间推移先升高后趋于稳定；当达到空气的最大夹带能力之后，继续增加灰尘的质量，并不会明显改变灰尘的空间分布。
　　（3）建立了基于LSGMF装置的多组分气体混合特性计算模型，研究了氢气的混合行为，并计算分析了氮气和水蒸气对氢气风险的惰化缓解效果，得到以下结论：当通过减小喷嘴管径而增大入口流速时，氦气的浓度分布是相似的；当增大入口流量时，氮气对氢气风险的缓解效果得到改善；不同注入方位条件下，氮气对氢气风险的缓解效果具有明显的局部差异性；在相同质量流量条件下，与氮气惰化相比，水蒸气惰化对氢气风险的缓解效果更好。
　　（4）针对“Wet bypass”事故序列，对不同产氢速率，不同冷却剂破口流量工况条件下的ITER真空室内的氢气风险进行了分析，结果表明：破口冷却剂流量的增大会对氢气风险起到缓解作用，而产氢速率的增大对氢气风险的影响则需要综合考量。
　　本课题的开展，将有助于加强对 ITER装置中灰尘安全问题的认识，有助于今后相关消除或者缓解策略的制定。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究必要性

1.3 研究目的和意义

1.4 研究现状

1.5 研究内容与方法

第二章 STARDUST实验装置中灰尘迁移特性分析

2.1 STARDUST装置简介

2.2 STARDUST物理和网格模型

2.3 边界条件和初始条件

2.4 灰尘迁移进程分析

2.5 灰尘迁移特性的影响因素分析

2.6 本章小结

第三章 ITER聚变装置内灰尘分布特性研究

3.1 ITRE装置简介

3.2 ITER物理和网格模型

3.3 边界条件和初始条件

3.4 ITER模型验证

3.5 ITER灰尘分布特性分析

3.6 本章小结

第四章 氢气混合特性及其风险的惰化缓解分析

4.1 LSGMF装置简介

4.2 数值建模

4.3 氢气混合特性研究

4.4 氢气风险惰化缓解分析

4.5 本章小结

第五章 ITER装置氢气风险研究

5.1 工况描述

5.2 ITER氢气风险分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文