CFETR第一壁結(jié)構(gòu)材料輻照蠕變壽命分析.pdf

1、中國工程聚變實驗堆(China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR)包層第一壁處在高熱流密度(0.3MW/m2)、高能中子輻照(14MeV)和高速冷卻劑沖蝕(300-500℃)等惡劣服役環(huán)境中，并且CFETR第二發(fā)展階段具有更高的功率和服役溫度。第一壁作為服役環(huán)境最惡劣的部件之一，它的更換是非常昂貴，耗時并且具有潛在的放射性危險，所以其服役壽命直接關(guān)系到聚變堆的安全性和可行性。因此聚變工程設(shè)計需要

2、重點考慮第一壁的服役壽命。
　　本文首先總結(jié)了國內(nèi)外聚變候選結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展路線和典型材料，又介紹了輻照蠕變的微觀機(jī)制和模型包括SIPN模型、SIPA模型等。此外本文利用ANSYS有限元方法對CFETR氦冷固態(tài)包層第一壁雙流道模型進(jìn)行流固耦合的熱-機(jī)械分析，計算不同表面熱流、不同第一壁厚度和不同冷卻劑入口溫度條件下第一壁的溫度和應(yīng)力分布。其結(jié)果顯示隨著熱流密度的升高、壁厚的增加和冷卻劑溫度的提升，其服役溫度和應(yīng)力均具有不同程度的升高，

3、并且最大溫度和最大應(yīng)力均出現(xiàn)在U型流道的拐角處，然后本文結(jié)合三類結(jié)構(gòu)鋼的輻照蠕變斷裂實驗和Larson-Miller模型方法，得到特定材料的L-M蠕變壽命外推模型。
　　本文進(jìn)一步分析候選結(jié)構(gòu)材料的St和Sm，鐵素體/馬氏體鋼P(yáng)NC-FMS和9Cr-ODS鋼在輻照環(huán)境下St沒有明顯的降低，其輻照蠕變性能受輻照影響較小。而奧氏體鋼在輻照環(huán)境下St有很大程度的降低。PNC1520均具有優(yōu)于PNC316鋼和15-15Ti鋼的熱蠕變St和

4、輻照蠕變St。而對比15-15Ti和316的輻照和輻照后蠕變壽命可知，不能簡單的利用輻照后蠕變來代替輻照蠕變。此外探究表明冷加工對提升奧氏體熱蠕變壽命具有一定的作用，但由于冷加工奧氏體鋼輻照后延性損失更大，冷加工并沒有提升奧氏體鋼的輻照后蠕變壽命。論文計算和分析了PNC316、PNC1520、DIN1.4970、PNC-FMS、9Cr-ODS等鋼種作為CFETR氦冷固態(tài)包層結(jié)構(gòu)材料時的輻照蠕變壽命，并探究第一壁設(shè)計參數(shù)對輻照蠕變壽命的影