ITER鎢銅穿管模塊高熱負(fù)荷測(cè)試及有限元模擬.pdf

1、作為聚變裝置的關(guān)鍵部件之一，偏濾器要承受嚴(yán)峻的熱負(fù)荷條件。因此對(duì)偏濾器面向等離子體材料和部件的選擇尤為重要。穿管型鎢銅面向等離子體部件因?yàn)槠鋬?yōu)秀的抗熱負(fù)荷輻照性能而被選為ITER偏濾器靶板的部件。作為ITER全鎢偏濾器認(rèn)證項(xiàng)目的一部分，ITER組織(IO)對(duì)等離子體所制造的六件穿管鎢銅模塊在IDTF設(shè)備上進(jìn)行了高熱負(fù)荷輻照測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括5000次10MW/m2和300次20MW/m2，以及額外的700次20MW/m2的熱負(fù)荷輻照。所

2、有的模塊均一次性通過(guò)了測(cè)試認(rèn)證。表明等離子體所研制的穿管鎢銅模塊可以達(dá)到ITER的要求。隨后，對(duì)其中的一件模塊開展了臨界熱負(fù)荷測(cè)試，測(cè)量顯示最終的平均吸收熱通量約為27.7MW/m2，而有限元分析計(jì)算表明實(shí)際局部的吸收熱通量甚至達(dá)到37-39MW/m2。文中針對(duì)此項(xiàng)認(rèn)證實(shí)驗(yàn)，首先對(duì)鎢銅穿管結(jié)構(gòu)模塊在高熱輻照實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的傳熱和受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬演算，進(jìn)而對(duì)輻照后鎢銅模塊進(jìn)行了詳細(xì)的事后分析研究。
　　作為高熱負(fù)荷輻照測(cè)試的重要輔助

3、工具，有限元分析軟件ANSYS被用來(lái)模擬鎢銅模塊在不同熱負(fù)荷下的溫度溫度場(chǎng)分布和不同加熱階段的應(yīng)力場(chǎng)分布。通過(guò)模擬得到了插入擾流片的模塊在10MW/m2和20MW/m2的熱負(fù)荷條件下的溫度分布，該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的比較一致。計(jì)算還發(fā)現(xiàn)在插入擾流片后流體的運(yùn)動(dòng)變成旋流，明顯增強(qiáng)了冷卻劑和熱沉的對(duì)流換熱效果，但是同時(shí)也會(huì)使壓降增高。對(duì)鎢銅塊的應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)在加熱階段，鎢的表面受到壓應(yīng)力，并且應(yīng)力值超出了該溫度下的屈服應(yīng)力，導(dǎo)致冷卻管正上方的鎢

4、發(fā)生了塑性變形。在鎢銅塊的冷卻的最后階段，冷卻管正上方鎢的表面受到拉應(yīng)力，拉應(yīng)力大小達(dá)980MPa。應(yīng)力集中的位置正是實(shí)驗(yàn)中宏觀開裂易發(fā)生的部位。
　　對(duì)測(cè)試后的模塊進(jìn)行了超聲無(wú)損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)部分鎢銅瓦塊的Cu/CuCrZr界面在輻照區(qū)域出現(xiàn)了1-2mm的缺陷，而W/Cu界面沒(méi)有檢測(cè)到缺陷。隨后對(duì)其中的三件模塊進(jìn)行了破壞性分析，得到了與無(wú)損檢測(cè)一致的結(jié)果，即在Cu/CuCrZr界面發(fā)現(xiàn)了開焊現(xiàn)象。對(duì)于開裂的鎢銅塊的觀察發(fā)現(xiàn)裂紋是從鎢

5、表面處萌生，隨著熱循環(huán)過(guò)程擴(kuò)展直到鎢銅界面處。通過(guò)斷口的觀察發(fā)現(xiàn)鎢開裂的最表面為韌性開裂，主體部分為脆性的沿晶開裂。表面的斷口可以看到典型的“冰糖狀”的形貌。金相學(xué)分析發(fā)現(xiàn)在經(jīng)歷了熱負(fù)荷輻照后WTC-2在冷卻管正上方出現(xiàn)了再結(jié)晶，再結(jié)晶深度約1.7-2.3mm，在邊緣處的再結(jié)晶深度達(dá)3-3.6mm。對(duì)WTC-5的冷卻管正上方可以看到熔化凝固產(chǎn)生的大晶粒，并且再結(jié)晶甚至達(dá)到了鎢銅界面處。顯微維氏硬度的測(cè)試發(fā)現(xiàn)鎢在再結(jié)晶后會(huì)發(fā)生硬度下降的情