CFETR偏濾器熱工水力設計與分析優(yōu)化.pdf

1、CFETR(中國聚變工程試驗堆)是我國在參加ITER項目的同時，開展的關于磁約束聚變堆工程可行性的研究項目。它目標為氚自持的前提下獲得50～200MW的聚變功率，目前正在進行工程概念設計。它的大小半徑分別為5.7m和1.6m，等離子體電流為10MA。在CFTER設計中，偏濾器設計是關鍵的工作之一。偏濾器的作用:1）控制等離子體邊界2）排出熱量和氦灰3）減少主等離子雜質(zhì)的作用。由于偏濾器要接受來高粒子密度和高熱負荷，還有來自芯部等離子體和

2、偏濾器區(qū)域等離子體的輻射，在這樣的極端熱流條件下，偏濾器的熱工水力設計是一個非常重要的課題。
　　本文首先從核能的發(fā)展，磁約束核聚變裝置的研究現(xiàn)狀切入，引述到中國的工程聚變實驗堆CFETR。在了解CFETR托卡馬克裝置的基本參數(shù)后，進而在物理設計得到的磁場位形基礎上開展工程設計。通過比較不同的磁場位形設計，選擇成熟的類ITER偏濾器位形來建立具有較寬范圍等離子體位形適應性的偏濾器結構。偏濾器的整體設計采用Cassette盒體式設計

3、概念，第一壁靶板采用Monoblock結構。在偏濾器的選材問題上根據(jù)不同模塊的材料要求選擇合適的不同的材料。
　　CFETR偏濾器的熱工水力設計分析是本文的重點。對于每一個CFETR偏濾器模塊采用的是一進一出的冷卻管路布置方式，以環(huán)向上45°對偏濾器的60個模塊分組并聯(lián)組成一個回路模塊，再通過一條主水管給回路模塊供水。在每一個模塊中，靶板上的Monoblock結構之間采用并聯(lián)冷卻，而在盒體支撐、Dome板、返流板、內(nèi)、外靶板之間采

4、用的是串聯(lián)冷卻。
　　隨后，本文對所設計的偏濾器結構，進行了熱工水力和結構立力分析，以驗證設計是否滿足要求。首先通過偏濾器的壓降分析來調(diào)整偏濾器的結構，主要通過簡化管路復雜性，增大偏濾器的主管路口徑，圓滑結構的尖銳處和冷卻管路彎道這三種方式從結構設計上降低壓降。其次是在特定的熱流邊界條件下，通過ANSYS熱工水力學模擬從以下幾個方面考查熱工水力設計的合理性:偏濾器結構材料的溫度是否低于材料的許用運行溫度;偏濾器上的臨界熱流安全因子

5、是否大于設計標準1.4;整個冷卻管道的壓降是否在參考值以內(nèi);偏濾器運行時冷卻水的狀態(tài)是否為假定的單向流狀態(tài)。通過這幾個方面對圓形光管，加比率為4的擾動片和比率為2的擾動片管這三種偏濾器靶板冷卻結構進行評估分析，確定出入口冷卻水流量的合理窗口范圍。并考慮到偏濾器的冷卻效率問題，分析確定加擾動比率為2的擾動片的冷卻結構最佳。它的冷卻水入口流量窗口為5.82kg/s至12.75kg/s。在最小的流量條件下，它消耗的最小泵機功率為1.9KW。最

6、后，以熱工水力學分析得出的最佳結構作為應力分析的結構，在保守的彈性材料假定下，通過它在不同入口流量條件下的Von-mises應力與3倍許用應力之間的比較，得出冷卻水的最小入口流量為5.18kg/s。所以在上述的水力學入口參數(shù)條件下，加比率為2的擾動片的偏濾器冷卻結構是能夠滿足材料應力要求的。
　　本文最后分析討論了上述偏濾器結構在高熱載荷條件下的結構性能。放寬對壓降的要求，增加偏濾器冷卻水主管路的壁厚，并考慮材料塑性變形，模擬分析