CFETR氦冷固态包层热工水力分析及优化

摘要

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StaticStructure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ANSYSWorkbench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。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 核聚变前景

1．1．2 热核聚变

1．1．3 受控热核聚变与超导托克马克

1．2 聚变堆包层及其研究进展

1．2．1 包层概念及分类

1．2．2 聚变堆包层国内外研究现状

1．3 CFETR氦冷固态包层简介

1．3．1 中国聚变工程试验堆(CFETR)背景介绍

1．3．2 CFETR氮冷固态包层

1．4 课题意义及主要研究内容

1．4．1 课题意义

1．4．2 主要研究内容

第二章 CFETR氨冷固态包层设计

2．1 包层系统描述

2．2 包层模块设计

2．3 多功能背板设计

2．4 总结

第三章 包层热工分析理论基础及软件

3．1 计算流体力学简介

3．2 包层CFD分析理论基础

3．2．1 CFD数值模拟过程

3．2．2 包层热工分析数学模型

3．2．3 包层冷却剂流动与传热数值方法

3．2．4 湍流及其数值计算方法

3．3 计算流体力学软件简介

3．3．1 常用CFD软件简介

3．3．2 CFX湍流模型及壁面函数理论

3．4 总结

第四章 氨冷固态包层(HCPB)热流固耦合分析及优化

4．1 流固耦合原理及方法

4．1．1 流固耦合分析基础

4．1．2 流固耦合分析方法

4．2 包层热流固耦合分析

4．2．1 包层热工水力计算

4．2．2 第一壁分析模型

4．2．3 增殖单元、格板分析模型

4．3 材料性质

4．4 模拟结果及分析

4．4．1 第一壁模拟结果及分析

4．4．2 格板模拟结果及分析

4．4．3 增殖单元模拟结果及分析

4．5 优化设计及模拟验证

4．5．1 第一壁及增殖单元优化设计

4．5．2 第一壁优化设计模拟验证及分析

4．5．3 增殖单元优化设计模拟验证及分析

4．6 总结

第五章 HCPB包层冷却结构应力有限元分析

5．1 结构力学有限元分析基础

5．1．1 有限元及其基本思想

5．1．2 有限元分析方法及特点

5．2 包层冷却结构应力分析

5．2．1 第一壁优化前后应力模拟分析

5．2．2 格板优化前后应力模拟分析

5．2．3 增殖单元冷却扳优化前后应力模拟分析

5．3 小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 未来展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文