CFETR液态包层的概念设计和MHD效应分析

摘要

中国聚变工程实验堆CFETR(China Fusion Engineering Testing Reactor)是介于ITER与DEMO之间的托卡马克装置。包层是聚变堆中非常重要的部件之一，是完成反应堆中的能量转换的关键部件。由于液态包层具有固态包层无法比拟的优点，从聚变堆的长远发展综合来看，液态包层具有很好的发展前景，未来对包层的研究设计应该以液态包层为重点，解决克服液态包层存在的技术问题与技术难点。
　　本文首先对国内外液态包层的研究现状进行分析，为CFETR液态包层的概念设计提供参考。接着根据液态包层的设计目标和设计参数，对CFETR液态包层的结构设计方案进行详细的描述和分析。
　　其次，建立了磁流体在方管中流动的物理模型，并基于磁流体动力学方程和FLUENT软件对流动模型进行理论分析和数值模拟。为了验证了计算方法具有一定的可靠性，分别计算了绝缘方管内MHD效应随着磁场强度、管道尺寸、磁场方向、哈特曼数等因素变化的理论值与模拟值;由于实际的管道材料是马氏体(RAMF)钢，导电率较高，本文比较了相同管道和边界条件下它与绝缘方管的MHD效应，验证了降低管道壁面电导率的必要性。本文采取在管道内部设置SiC插件的措施来降低壁面电导率，并从插件材料电导率、插件开口方向、插件开口形状、插件开口大小和位置四个方面研究了SiC插件布置方案对MHD效应产生的影响，从而为设计液态包层管道的插件提供参考。
　　在最后一章中，基于前面的分析结果，对CFETR液态包层的内部模块和外部模块管道分段进行了理论分析和数值模拟，验证了计算得到的压降结果满足工程设计要求。然后使用ANSYS CFX软件对包层第一壁进行了热工水力计算，探究其在极端热流条件下的热承载能力，并分析了氦冷却管路的粗糙度对第一壁热工水力的影响，改进了第一壁的管道模型，使第一壁在保证冷却能力的同时，能够满足氦气出口温度的设计要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 能源危机与核聚变

1．2 聚变堆包层的作用与分类

1．3 液态锂铅包层的概念与发展现状

1．3．1 液态锂铅包层的特点

1．3．2 液态金属锂铅的性质

1．3．3 液态包层的发展现状

1．4 课题的研究内容和意义

第2章 CFETR包层概念设计与MHD理论分析

2．1 CFETR简介

2．2 CFETR液态包层结构概念设计方寨

2．2．1 CFETR增殖包层设计目标

2．2．2 CFETR增殖包层设计方案

2．3 磁流体动力学(MHD)理论分析

2．3．1 管道内的流动的物理问题

2．3．2 液态金属磁流体力学方程

第3章 方管中MHD效应的数值模拟

3．1 MHD数值计算的基本思路

3．2 锂铅金属在方管中MHD流动数值模拟

3．2．1 计算设置与材料属性

3．2．2 流体在绝缘管内流动的MHD分析

3．2．3 流体在导电管内流动的MHD分析

3．3 液态锂铅包层SiC插件布置方案研究

3．4 本章小结

第4章 CFETR包层MHD及第一壁热工水力分析

4．1 CFETR包层MHD分析

4．1．1 CFETR锂铅液体流速的计算

4．1．2 内部增殖模块管道的MHD压降分析

4．1．3 外部增殖模块的管道MHD压降分析

4．2 CFETR增殖包层第一壁的热工水力分析

4．2．1 理论分析计算结果

4．2．2 数值模拟计算结果

4．2．3 模型的分析及改进

4．3 本章小结

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