ITER中子屏蔽层结构的传热机理研究与分析

摘要

国际热核聚变实验反应堆ITER计划是—个国际科研合作项目，其目的是为了建造一个大型的超导托卡马克，通过科学和技术手段来实现核聚变能的和平利用。中子屏蔽块是ITER真空室中子屏蔽层的基本组成单元，由多个组件装配而成，用于屏蔽聚变反应中产生的中子流。在聚变反应工况下，中子屏蔽块受到辐射和热流高温影响会产生热应力。为得到在聚变反应工况下中子屏蔽块的温度分布，本文使用Ansys软件对中子屏蔽块进行传热分析，在分析过程中主要有热生率的变化函数、冷却水和屏蔽块的对流换热、包层和冷屏的辐射等边界条件。分析结果对比材料的物理属性，中子屏蔽块的温度变化在其材料的属性要求范围之内，满足材料的耐热性能要求。
　　本课题来源于:国际合作项目“ITER装置真空室中子屏蔽层的设计与研究”(FrameworkcontractITER/CT/09/6000000003)
　　真空室内的中子屏蔽层是—个由8600块小型装配体组成的面包圈形的—个大型装置。在聚变反应正常进行的情况下，中子屏蔽层浸泡在真空室的冷却水中，主要受到来自真空室内壳内部包层和外壳外部冷屏传来的热量，另外还有烘烤过程的传热分析。然后得到中子屏蔽块的温度分布情况，以及热-结构耦合对螺栓防松以及本身的结构强度产生的重要影响。
　　本论文的研究内容:首先介绍了真空室中子屏蔽层的结构设计和设计依据，还有中子屏蔽层的设计概念以及初始设计情况;然后对传热学的基本理论和应用以及中子屏蔽层的热载荷进行说明，同时还阐述了中子屏蔽层的传热机理;再者介绍了中子屏蔽块模型的前处理过程，包括建模、材料选择、单元选择、属性等等。最后再分别选出中子屏蔽层的内外区域进行传热分析，并选择一普通块进行热-结构耦合分析和烘烤分析。本文目的是先以中子屏蔽层的一部分区域块为模型样例，对中子屏蔽层结构在由真空室内壳受到的核热进行稳态热分析;再以中子屏蔽层中比较标准的一块为基准，对此屏蔽块进行稳态热分析，得到中子屏蔽块在热力工况下的温度分布，然后综合这些分析结果对中子屏蔽块在结构设计方面的影响，尤其是对螺栓的预紧防松以及结构强度的影响。从而确保屏蔽层结构在热力载荷作用下设计的合理性，最终确定屏蔽层结构在正常工作情况下的安全性和可靠性。

目录

声明

摘要

插图清单

表格清单

1 绪论

1．1 人类能源的使用与发展

1．2 核聚变的研究现状及发展

1．2．1 国际热核聚变的研究和发展现状

1．2．2 国内核聚变事业的发展概况

1．3 磁约束装置的产生及发展过程

1．3．1 托卡马克的由来

1．3．2 ITER的发展及简介

1．3．3 ITER研究的意义

1．4 课题的来源、主要的研究内容及意义

1．4．1 本课题来源

1．4．2 课题研究的主要内容

1．4．3 本课题的意义

2 中子屏蔽层的结构设计与设计依据

2．1 中子屏蔽层的设计概念及设计准则

2．1．1 屏蔽层的概念设计

2．1．2 屏蔽层结构的设计准则

2．2 中子屏蔽层的初始设计

2．2．1 中子屏蔽结构材料的选择

2．2．2 屏蔽层结构厚度的确定

2．2．3 组件实体结构的设计结果介绍

2．3 中子屏蔽块各组件的详细设计

2．3．1 屏蔽板结构形状

2．3．2 托架结构形状

2．3．3 垫片结构形状

2．3．4 垫圈结构形状

2．3．5 螺栓结构形状

2．4 屏蔽块的结构组装

2．5 本章小结

3 中子屏蔽结构的热载计算及传热机理

3．1 传热学的基本原理和应用简介

3．2 传热分析的必要性

3．3 屏蔽结构的热源载荷

3．3．1 工况前热载—烘烤

3．3．2 工况时热源载荷

3．4 屏蔽结构的传热机理

3．5 本章小结

4 中子屏蔽块的传热分析前处理

4．1 有限元方法的说明及软件简介

4．1．1 有限元的定义与使用

4．1．2 软件Ansys基本简介

4．2 建立有限元模型

4．2．1 几伺模型的建立

4．2．2 简化模型的处理

4．2．3 建立模型元素组件

4．2．4 有限元模型及其相关参量

4．3 单元类型及材料的相关属性

4．3．1 单元类型

4．3．2 材料属性

4．4 本章小结

5 ITER真空室中子屏蔽块的传热分析

5．1 内部直线区域模块的传热分析

5．1．1 内部区域模型的加载情况

5．1．2 内部区域模型传热分析结果

5．2 外部区域模块的传热分析

5．2．1 外部区域模型的加载情况

5．2．2 外部区域模型的传热结果

5．3 中子屏蔽块的热-结构耦合分析

5．3．1 预紧力边界条件对模型的要求

5．3．2 预紧力的计算结果

5．3．3 中子屏蔽结构块的热-结构耦台的边界约束及分析结果

5．4 中子屏蔽块的烘烤分析

5．4．1 烘烤分析的边界条件及约束

5．4．2 烘烤分析的结果

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果