CFETR氦冷固態(tài)包層結(jié)構(gòu)熱-機(jī)械性能分析.pdf

1、根據(jù)“中國(guó)磁約束聚變能發(fā)展路線圖”，中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆CFETR一期工程將實(shí)現(xiàn)約200 MW的聚變功率、等離子體穩(wěn)態(tài)或者長(zhǎng)脈沖運(yùn)行和氚自持。聚變堆的氚增殖包層是實(shí)現(xiàn)氚自持的核心部件，氚增殖包層除了增殖氚外，還承擔(dān)著提取與轉(zhuǎn)換能量、屏蔽輻射等功能。因此，包層需要滿足中子學(xué)、熱工水力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和安全等多方面的要求，這使得包層設(shè)計(jì)成為一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的工作。為支持CFETR的研究與發(fā)展，本文對(duì)CFETR的一種氦冷固態(tài)包層開(kāi)展了系統(tǒng)的熱-機(jī)械性

2、能評(píng)估，為CFETR氦冷固態(tài)包層下一步的設(shè)計(jì)研究提供重要參考。
　　本文對(duì)CFETR氦冷固態(tài)包層開(kāi)展了穩(wěn)態(tài)熱分析和脈沖運(yùn)行狀態(tài)下的瞬態(tài)熱分析，并對(duì)包層溫度場(chǎng)多方面影響因素進(jìn)行了研究，開(kāi)展了球床參數(shù)、熱工水力參數(shù)和球床-壁面接觸熱阻對(duì)包層溫度場(chǎng)的影響研究。穩(wěn)態(tài)熱分析得到了包層各部件的溫度分布，各部件均滿足材料的溫度限值，溫度場(chǎng)將作為包層結(jié)構(gòu)在非循環(huán)載荷下熱機(jī)械性能評(píng)估(M-type)的輸入條件。脈沖運(yùn)行下的瞬態(tài)熱分析得到了包層溫度隨

3、脈沖變化的規(guī)律。啟堆時(shí)包層各部件的溫度隨著熱載荷的增加而升高，其中第一壁的溫度升高要比增殖區(qū)快;停堆過(guò)程，第一壁溫度降低也要快于增殖區(qū)。啟堆和停堆過(guò)程中第一壁和增殖區(qū)之間的溫度差會(huì)造成較大的熱應(yīng)力。瞬態(tài)熱分析的結(jié)果是包層結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷下熱機(jī)械性能評(píng)估(C-type)的輸入條件。包層溫度場(chǎng)多方面影響因素研究表明球床填充因子和小球尺寸對(duì)包層溫度場(chǎng)的影響較小。球床有效熱導(dǎo)率對(duì)球床溫度場(chǎng)具有較大影響。減小球床有效熱導(dǎo)率會(huì)導(dǎo)致球床溫度顯著增加;而

4、當(dāng)球床有效熱導(dǎo)率增加的一定程度，球床溫度趨于穩(wěn)定不變。隨著冷卻劑入口流量的增加（降低），包層溫度隨之降低（升高）。當(dāng)流量增加到一定程度，包層溫度不再顯著降低。球床與冷卻板最高溫度隨冷卻劑入口溫度升高呈線性增加，但增加幅度較小。由于增加流道粗糙度會(huì)在加強(qiáng)換熱的同時(shí)極大地增加壓降，因此不建議在冷卻板流道加粗糙度。球床-壁面接觸熱阻對(duì)球床溫度具有一定的影響，不過(guò)當(dāng)前包層方案能夠很好地緩解球床-壁面接觸熱阻的影響。即使球床與壁面發(fā)生完全脫離，球

5、床和結(jié)構(gòu)材料仍能滿足溫度限值。當(dāng)前的包層方案具有良好的熱學(xué)性能。
　　在包層熱分析的基礎(chǔ)上，對(duì)包層結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能進(jìn)行了分析?；贗TER真空室內(nèi)部部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)SDC-IC，給出了包層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定準(zhǔn)則和方法。在不考慮電磁載荷作用下，對(duì)包層結(jié)構(gòu)開(kāi)展了非循環(huán)載荷下的應(yīng)力分析(M-type)，并對(duì)包層進(jìn)行了詳細(xì)的M-type失效模式的性能評(píng)定，結(jié)果顯示包層結(jié)構(gòu)能夠很好地滿足M-type失效模式的評(píng)定準(zhǔn)則。接著對(duì)包層結(jié)構(gòu)高溫部件開(kāi)展了循

6、環(huán)載荷下的應(yīng)力分析（C-type），并基于SDC-IC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)包層進(jìn)行了詳細(xì)的C-type失效模式的性能評(píng)定。熱機(jī)械性能評(píng)估表明CFETR氦冷固態(tài)包層在正常工況下熱機(jī)械性能優(yōu)良。然后對(duì)包層進(jìn)行了初步FFMEA分析，得到了包層的參考事故?；赟DC-IC標(biāo)準(zhǔn)Level D Criteria對(duì)包層結(jié)構(gòu)在典型事故In-box LOCA下的熱-機(jī)械性能進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估。結(jié)果顯示此包層方案在此事故下仍具有良好的機(jī)械性能。
　　本文所開(kāi)展的研究