CFETR氦冷固态包层第一壁设计优化与瞬态热工安全分析

摘要

增殖包层是实现聚变堆燃料自持的关键功能载体。它具有包容等离子体、沉积并转换聚变能量、增殖聚变燃料氚以及辐射屏蔽的作用。中国在提出聚变工程实验堆(CFETR)概念设计的同时也在研发适用于CFETR的增殖包层。氦冷固态陶瓷氚增殖剂包层具有结构稳定、材料相容性好和无液态金属磁流体动力学(MHD)效应的优点而被国际上广泛研究。包层结构中的第一壁(FW)承受来自堆芯等离子体的热辐射和中子轰击，所处环境极其严酷，是包层中的重要安全部件。本文基于一种氦冷固态包层概念设计，对包层中FW部件进行热工结构性能分析，并优化第一壁冷却剂流道结构，研究FW在事故中的安全特性。
　　首先对氦冷固态包层第一壁进行数值建模，开展了单向流固耦合的热．机械性能分析。在确保网格独立性和质量的前提下，计算正常工况下FW的温度分布和应力分布。分析结果显示，正常设计工况下第一壁最高温度略超出材料温度限值;总应力满足ITER结构设计准则SDC准则评价3Sm限值的要求，但热应力超出规定的限值，需要进行结构优化以降低热应力。
　　冷却剂流道结构优化主要考虑了三种因素:冷却剂流道截面几何大小、相邻流道间距和流道倒圆角半径。另外为了解决弯管处应力集中的问题，还对第一壁弯管内径进行了优化。通过数值模拟分析不同方案下的结构最高温度、最大应力和冷却剂压降。综合对比这些结构尺寸的分析结果，得出优化方案:矩形流道截面取9×9 mm2;其倒圆角半径为3mm;相邻流道间距仍为5mm不变，U型弯管处内径80 mm。优化后第一壁的温度下降49％，总应力减小33％，且均符合设计要求。
　　最后，依据ITER给出的三种参考事故（真空室内冷却剂泄漏事故In-vesselLOCA、包层盒内的冷却剂泄漏事故In-box LOCA，以及包层盒外的冷却剂泄漏事故Ex-vessel LOCA)，叠加包层完全丧失冷却剂的极端情况，利用ANSYS对包层在这些事故工况下的瞬态温度演化进行计算，重点分析了第一壁的安全特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 中国聚变工程实验堆(CFETR)

1．1．2 包层的功能与分类

1．2 包层研究现状及第一壁关键问题

1．2．1 包层研究现状

1．2．2 包层第一壁典型设计及关键问题

1．3 本文研究意义与主要内容

第二章 分析方法与评价标准

2．1 流固耦合分析方法

2．1．1 流固耦合基本原理

2．1．2 ANSYS流固耦合分析

2．2 热-机械分析评价标准

2．2．1 设计标准

2．2．2 设计限值

2．3 小结

第三章 氦冷固态包层第一壁热-机械分析

3．1 氦冷固态包层结构特点

3．1．1 氦冷固态包层介绍

3．1．2 第一壁流道结构特点

3．2 模型与网格分析

3．2．1 计算模型

3．2．2 网格独立性分析

3．3 分析结果

3．3．1 载荷传递精确性分析

3．3．2 静力分析

3．3．3 热-机械分析

3．4 小结

第四章 第一壁结构优化分析

4．1 冷却剂流道结构

4．2 U型弯管段半径

4．3 第一壁结构优化设计方案

4．4 小结

第五章 氦冷固态包层热工安全初步分析

5．1 包层系统的安全功能

5．2 瞬态热工安全分析

5．2．1 参考事故的选取

5．2．2 热边界条件

5．2．3 分析模型

5．2．4 分析结果

5．3 小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢