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[学位]

中国聚变工程实验堆氦冷固态包层特性理论分析

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Author:

崔世杰 (崔世杰.)

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学位论文库

Abstract:

中国聚变工程实验堆(CFETR)是介于国际热核聚变实验反应堆ITER和未来聚变示范堆DEMO之间的一个过渡平台,目前正处于设计阶段。其主要目标是实现聚变功率50-200 MW且运行因子大于0.3-0.5的稳态运行,验证聚变反应氚自持,并对聚变堆关键部件在聚变实际环境条件下进行实验研究,为未来DEMO和聚变商用堆的设计和建造奠定基础。包层是CFETR核心部件之一,主要承担氚增殖、能量转换和辐射屏蔽等作用。由于氦冷固态包层的种种优良特点,本文针对中国聚变工程实验堆一种氦冷固态增殖剂包层概念设计方案中位于赤道外平面的12号典型包层模块进行了物理-热工-应力耦合特性的理论分析。
利用中子输运程序MCNP建立了典型包层模块三维中子-光子耦合模型,并将中子学计算结果与后续热工计算结果相互迭代,实现了物理与热工之间的耦合计算。基于该模型首先进行了以提升氚增殖比(TBR)为主要目标的结构优化设计,获得了TBR初步优化的典型包层模块结构尺寸参数。基于初步优化的包层结构尺寸,详细研究了分别使用九种单一球床和四种混合球床作为氚增殖剂材料时包层TBR与核热沉积分别相对Li6富集度、氚增殖球床填充率和铍球床填充率的变化规律,获取了氚增殖比与核热沉积综合最优的典型包层模块氚增殖剂和中子倍增剂选取方案,并计算得到了该方案各材料内热源的分布规律以及不同材料内中子与光子核热沉积的分布规律。
利用CFX建立了典型包层模块的热工计算模型,进行了正常和极端工况下的热工水力计算。计算结果显示正常工况下包层各材料温度均低于各自的温度限制,极端工况下第一壁结构材料温度会超标而其他材料温度变化不大。在两种工况下,两种球床的最低温度均高于氚释放的最低温度限制,且冷却剂压降均比较小。
将热工计算的结果作为包层应力分析的边界,利用 ANSYS Workbench对其分别进行了正常运行、极端运行和发生盒内超压事故工况下的热-机械耦合性能分析。计算结果显示正常运行工况下结构材料最大等效应力小于3Sm许可限制,而极端运行工况下其最大等效应力超出限制,在发生盒内超压事故工况下其最大等效应力和最大总变形会激增远超限制,包层结构直接被破坏,在运行中应当尽力避免这一严重事故的出现。 
    
最后本文还针对氦气流道壁面粗糙度、子模块入口温度、氦气质量流量、铍球床热导率、硅酸锂球床热导率和聚变堆功率等六组主要参数对包层进行了热工水力敏感性分析,详细研究了各因素对包层结构材料和各球床温度分布的影响,结果对于认识包层在事故工况下的失效机理具有重要意义。
本文的研究工作初步验证了该包层概念优化方案的合理性,对中国聚变工程实验堆氦冷固态增殖剂包层物理-热工-应力耦合性能分析有一定借鉴意义,并可为包层的优化设计和后续安全分析提供参考。

Keyword:

氦冷固态增殖剂包层 敏感性分析 热工应力特性 物理特性 中国聚变工程实验堆

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学能源与动力工程学院

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Basic Info :

Degree: 工程硕士

Mentor: 张大林

Year: 2016

Language: Chinese

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WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 5

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