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)“中國磁約束聚變能發(fā)展路線圖”，中國聚變工程實驗堆CFETR一期工程將實現(xiàn)約200 MW的聚變功率、等離子體穩(wěn)態(tài)或者長脈沖運行和氚自持。聚變堆的氚增殖包層是實現(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)計成為一個富有挑戰(zhàn)性的工作。為支持CFETR的研究與發(fā)展，本文對CFETR的一種氦冷固態(tài)包層開展了系統(tǒng)的熱-機(jī)械性

2、能評估，為CFETR氦冷固態(tài)包層下一步的設(shè)計研究提供重要參考。
　　本文對CFETR氦冷固態(tài)包層開展了穩(wěn)態(tài)熱分析和脈沖運行狀態(tài)下的瞬態(tài)熱分析，并對包層溫度場多方面影響因素進(jìn)行了研究，開展了球床參數(shù)、熱工水力參數(shù)和球床-壁面接觸熱阻對包層溫度場的影響研究。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，溫度場將作為包層結(jié)構(gòu)在非循環(huán)載荷下熱機(jī)械性能評估(M-type)的輸入條件。脈沖運行下的瞬態(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;停堆過程，第一壁溫度降低也要快于增殖區(qū)。啟堆和停堆過程中第一壁和增殖區(qū)之間的溫度差會造成較大的熱應(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)械性能評估(C-type)的輸入條件。包層溫度場多方面影響因素研究表明球床填充因子和小球尺寸對包層溫度場的影響較小。球床有效熱導(dǎo)率對球床溫度場具有較大影響。減小球床有效熱導(dǎo)率會導(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在加強換熱的同時極大地增加壓降，因此不建議在冷卻板流道加粗糙度。球床-壁面接觸熱阻對球床溫度具有一定的影響，不過當(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)計標(biāo)準(zhǔn)SDC-IC，給出了包層結(jié)構(gòu)強度評定準(zhǔn)則和方法。在不考慮電磁載荷作用下，對包層結(jié)構(gòu)開展了非循環(huán)載荷下的應(yīng)力分析(M-type)，并對包層進(jìn)行了詳細(xì)的M-type失效模式的性能評定，結(jié)果顯示包層結(jié)構(gòu)能夠很好地滿足M-type失效模式的評定準(zhǔn)則。接著對包層結(jié)構(gòu)高溫部件開展了循

6、環(huán)載荷下的應(yīng)力分析（C-type），并基于SDC-IC標(biāo)準(zhǔn)對包層進(jìn)行了詳細(xì)的C-type失效模式的性能評定。熱機(jī)械性能評估表明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。
　　本文所開展的研究