CFETR氦冷固態(tài)包層熱工水力分析及優(yōu)化.pdf

1、能源與環(huán)境問(wèn)題是影響人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵，聚變能作為解決能源問(wèn)題的可能途徑之一，具有燃料供應(yīng)充足、熱值高、放射性低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，聚變能因其清潔性、安全性及可再生性受到廣泛關(guān)注。
　　CFETR是參考國(guó)內(nèi)現(xiàn)有托卡馬克和ITER技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和建造的一個(gè)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆。它介于ITER與聚變示范堆之間，旨在基于ITER等離子體物理和聚變技術(shù)基礎(chǔ)，驗(yàn)證聚變堆的工程實(shí)現(xiàn)具體技術(shù)，是聚變能走向商用的關(guān)鍵一步，對(duì)中國(guó)聚變能商業(yè)化應(yīng)用具有重大意義

2、。
　　包層是聚變能走向?qū)嶋H應(yīng)用的核心載體，其主要功能:氚增殖，維持聚變堆反應(yīng)所需的氚，實(shí)現(xiàn)氚自持;能量增殖，將聚變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為可利用的熱能或者電能等;輻射屏蔽，減少放射性物質(zhì)的擴(kuò)散，保護(hù)磁體材料等，包層性能是聚變堆設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，其系統(tǒng)安全性是未來(lái)聚變堆能否可靠運(yùn)行的決定性因素之一。
　　本文CFETR氦冷固態(tài)包層為研究對(duì)象，基于計(jì)算流體力學(xué)理論，結(jié)合有限元分析、流固耦合分析方法，采用ANSYS CFX和ANSYS W

3、orkbench軟件中的StaticStructure模塊對(duì)CFETR氦冷固態(tài)包層第一壁和增殖單元進(jìn)行了流固耦合分析及應(yīng)力分析，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行了第一壁及增殖單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證分析。
　　首先，根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)、有限元方法及耦合原理建立了數(shù)學(xué)模型;然后，結(jié)合CFETR氦冷固態(tài)包層功能及其設(shè)計(jì)特點(diǎn)，運(yùn)用CATIA建模軟件建立了符合實(shí)際的分析模型;其次，運(yùn)用ANSYS CFX對(duì)增殖包層冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行流固耦合分析得到了第一壁、增殖單元

4、的溫度分布、冷卻劑的流場(chǎng)分布規(guī)律;最后，使用ANSYSWorkbench軟件，將前面得到的結(jié)構(gòu)材料的溫度分布作為邊界條件對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，得到包層冷卻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。
　　基于分析數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合CFETR氦冷固態(tài)包層設(shè)計(jì)要求和已有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了第一壁及增殖單元且驗(yàn)證了優(yōu)化方案的合理性、可靠性。為CFETR氦冷固態(tài)包層優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持及參考，對(duì)CFETR氦冷固態(tài)包層工程設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。