ITER钨铜穿管模块高热负荷测试及有限元模拟

摘要

作为聚变装置的关键部件之一，偏滤器要承受严峻的热负荷条件。因此对偏滤器面向等离子体材料和部件的选择尤为重要。穿管型钨铜面向等离子体部件因为其优秀的抗热负荷辐照性能而被选为ITER偏滤器靶板的部件。作为ITER全钨偏滤器认证项目的一部分，ITER组织(IO)对等离子体所制造的六件穿管钨铜模块在IDTF设备上进行了高热负荷辐照测试。测试内容包括5000次10MW/m2和300次20MW/m2，以及额外的700次20MW/m2的热负荷辐照。所有的模块均一次性通过了测试认证。表明等离子体所研制的穿管钨铜模块可以达到ITER的要求。随后，对其中的一件模块开展了临界热负荷测试，测量显示最终的平均吸收热通量约为27.7MW/m2，而有限元分析计算表明实际局部的吸收热通量甚至达到37-39MW/m2。文中针对此项认证实验，首先对钨铜穿管结构模块在高热辐照实验过程中的传热和受力情况进行数值模拟演算，进而对辐照后钨铜模块进行了详细的事后分析研究。
　　作为高热负荷辐照测试的重要辅助工具，有限元分析软件ANSYS被用来模拟钨铜模块在不同热负荷下的温度温度场分布和不同加热阶段的应力场分布。通过模拟得到了插入扰流片的模块在10MW/m2和20MW/m2的热负荷条件下的温度分布，该结果与实验中测得的比较一致。计算还发现在插入扰流片后流体的运动变成旋流，明显增强了冷却剂和热沉的对流换热效果，但是同时也会使压降增高。对钨铜块的应力分析发现在加热阶段，钨的表面受到压应力，并且应力值超出了该温度下的屈服应力，导致冷却管正上方的钨发生了塑性变形。在钨铜块的冷却的最后阶段，冷却管正上方钨的表面受到拉应力，拉应力大小达980MPa。应力集中的位置正是实验中宏观开裂易发生的部位。
　　对测试后的模块进行了超声无损检测，发现部分钨铜瓦块的Cu/CuCrZr界面在辐照区域出现了1-2mm的缺陷，而W/Cu界面没有检测到缺陷。随后对其中的三件模块进行了破坏性分析，得到了与无损检测一致的结果，即在Cu/CuCrZr界面发现了开焊现象。对于开裂的钨铜块的观察发现裂纹是从钨表面处萌生，随着热循环过程扩展直到钨铜界面处。通过断口的观察发现钨开裂的最表面为韧性开裂，主体部分为脆性的沿晶开裂。表面的断口可以看到典型的“冰糖状”的形貌。金相学分析发现在经历了热负荷辐照后WTC-2在冷却管正上方出现了再结晶，再结晶深度约1.7-2.3mm，在边缘处的再结晶深度达3-3.6mm。对WTC-5的冷却管正上方可以看到熔化凝固产生的大晶粒，并且再结晶甚至达到了钨铜界面处。显微维氏硬度的测试发现钨在再结晶后会发生硬度下降的情况，且硬度变化的距离与再结晶深度一致，这是因为再结晶后缺陷减少造成的。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 聚变能与托卡马克装置

1．2 钨作为面向等离子体材料

1．3 ITER偏滤器

1．3．1 ITER偏滤器的设计

1．3．2 ITER偏滤器中的热负荷

1．3．3 W／Cu面向等离子体部件

1．3．4 钨在高热负荷下的损伤行为

1．4 ITER全钨偏滤器认证项目进展

1．4．1 ITER全钨偏滤器认证项目

1．4．2 日本对穿管型钨铜模块的研发和高热负荷测试现状

1．4．3 欧洲的穿管型钨铜模块的研发和高热负荷测试现状

1．4．4 国内穿管型钨铜模块的高热负荷研究现状

1．5 论文的主要研究内容

第二章 穿管型钨铜小模块的高热负荷测试

2．1 为ITER制备穿管结构质量认证模块

2．2 高热负荷设备IDTF

2．3 高热负荷测试

2．3．1 样品的安装和调试

2．3．2 实验中参数测量

2．3．3 热扫描

2．4 临界热负荷测试

2．4．1 临界热负荷测试内容

2．4．2 临界测负荷测试中的参数

2．4．3 有限元模拟热负荷通量的分布

2．5 本章小结

第三章 高热负荷辐照下模块的有限元模拟

3．1 模块的有限元设计和分析方法

3．2 高热负荷条件下的温度分析

3．2．1 模型的建立

3．2．2 模型的网格划分

3．2．3 高热热负荷下光滑管模块的温度场分析

3．2．4 高热热负荷下插入扰流片的模块的温度场分析

3．3 高热负荷下钨铜块的热应力分析

3．4 本章小结

第四章 高热负荷辐照后模块的事后分析

4．1 高热负荷辐照后的外貌观察

4．2 高热负荷辐照后模块的超声无损检测

4．3 高热负荷辐照后模块的破坏分析

4．3．1 裂纹形貌和断口的观察

4．3．2 钨的再结晶分析

4．3．3 焊接界面分析

4．3．4 显微硬度分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文和取得的其他成果