聚变堆高温熔盐冷却偏滤器靶板概念设计与分析

摘要

偏滤器是聚变堆内直接面对等离子体的核心部件之一，承担着控制等离子内杂质含量、带走第一壁表面高热负荷并输出能量的重要功能。高效的冷却技术是保证偏滤器正常运行的必备条件。随着聚变功率的提高，偏滤器靶板需要承担更高的热载荷，并且聚变堆内中子辐射剂量将会比目前ITER实验装置高出一个数量级，中子辐照将造成材料力学性能的退化。因此本文从适用于未来高通量中子辐照的聚变堆环境角度，需要设计出抗高中子辐照同时兼顾热承载能力的高性能偏滤器，降低偏滤器部件退役后对环境的放射性影响，并提高聚变堆的经济性。
　　基于上述要求，通过对比分析不同冷却剂和结构材料的优缺点，本文提出一种新型高温熔盐冷却偏滤器结构设计。设计中采用FLiNaK作为冷却剂，充分利用了熔盐冷却剂的高温运行能力、强换热能力和低导电率的优点，并从氦冷偏滤器的设计中汲取经验，采用发展技术相对成熟的钨镧合金作为结构材料，钨为第一壁材料，完成了熔盐冷却偏滤器靶板结构的初步设计。
　　通过数值计算分析熔盐冷却剂的换热特性、压降特性和磁流体动力学效应，以材料许用温度和应力为判据，开展并完成了偏滤器靶板几何结构的优化工作。针对优化后的靶板结构，进行热负荷承载能力评估，分析了不同流体参数对结构换热能力的影响。然后，通过理论分析和数值计算完成偏滤器冷却回路设计，优化偏滤器各模块之间的流量分配，并降低冷却剂在回路中产生的压降，减小泵功率需求。最终优化的靶板冷却结构可以有效承受15.7 MW/m2的稳态高热负荷和20 MW/m2的瞬态热负荷。本文的主要研究内容为偏滤器能够适应聚变堆高反应堆功率、高通量中子辐照的恶劣运行环境和发电经济性的要求，提供了一种设计解决方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 能源危机与核聚变反应堆

1．2 偏滤器介绍与分类

1．3 偏滤器冷却技术

1．3．1 水冷偏滤器

1．3．2 液态金属冷却偏滤器

1．3．3 氦冷偏滤器

1．4 论文主要内容

第2章 高温熔盐冷却偏滤器靶板结构设计

2．1 聚变堆偏滤器设计要求

2．1．1 聚变堆中子辐照

2．1．2 偏滤器热载荷

2．1．3 聚变堆经济性

2．2 偏滤器材料选择

2．2．1 PFC材料选择

2．2．2 热沉材料选择

2．2．3 冷却剂选择

2．3 熔盐冷却剂的选择

2．4 熔盐冷却偏滤器靶板结构设计

2．5 本章小结

第3章 偏滤器靶板结构几何参数优化设计

3．1 流体计算模型验证

3．1．1 压降计算

3．1．2 换热特性计算

3．2 几何模型和边界条件

3．3 磁流体动力学(MHD)效应分析

3．4 设计准则

3．4．1 温度准则

3．4．2 应力评价准则

3．5 材料参数

3．6 结构几何参数优化分析

3．7 本章小结

第4章 偏滤器靶板的热工水力学分析

4．1 靶板结构热承载能力评估

4．1．1 分析工况和参数变化范围

4．1．2 稳态工况分析

4．1．3 瞬态工况分析

4．2 冷却剂回路设计

4．2．1 压降理论分析

4．2．2 串联水路设计

4．2．3 并联水路设计

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果