【摘要】：包層系統(tǒng)是聚變堆核心部件,具有包容等離子體、能量轉(zhuǎn)換、氚增殖和輻射屏蔽的作用。然而聚變包層處于強磁場、高熱流、高輻照的嚴酷環(huán)境中,承受較大的熱、機械負載和電磁負載,尤其是在等離子體瞬態(tài)事故下。等離子體瞬態(tài)事故的發(fā)生快速且不可控制,在極短的時間內(nèi)釋放高的熱能和電磁能,使得包層系統(tǒng)需要承受額外的熱機械和電磁負載,因此研究等離子體瞬態(tài)事故下包層系統(tǒng)的安全性非常重要。本文基于CFETR氦冷固態(tài)包層設(shè)計方案對等離子體瞬態(tài)事故下包層的電磁-熱-機械耦合方法以及包層結(jié)構(gòu)綜合性能評估展開了研究。等離子體瞬態(tài)事故包括主破裂事故和垂直位移事故及它們導(dǎo)致的一系列后果。主破裂事故是指等離子體放電突然終止,等離子體熱能和等離子體電流完全喪失的現(xiàn)象。由于等離子體熱能的迅速喪失,將引起包層模塊存在潛在局部熔化或升華危險,同時由于電流的喪失,磁場迅速變化,將引入額外的洛倫茲力及力矩作用在包層結(jié)構(gòu)上,使得包層結(jié)構(gòu)容易發(fā)生扭曲和變形。等離子體垂直位移事故中等離子體在極向上的平衡性將失去控制發(fā)生上下漂移,并伴著主破裂事故的發(fā)生。垂直位移事故下的包層受到的電磁力及力矩將同時受到等離子體位置漂移和破裂的影響,威脅包層結(jié)構(gòu)安全性。首先開展了等離子體主破裂事故下包層電磁-熱-機械綜合分析。根據(jù)CFETR磁體系統(tǒng)布置以及氦冷固態(tài)包層設(shè)計方案,分別建立電磁分析模型、熱分析模型以及應(yīng)力分析模型,其中電磁分析模型包括了磁體系統(tǒng)、真空室以及包層系統(tǒng)。主破裂事故的研究對象是位于赤道面的典型包層模塊,因此,典型包層模塊采用精細結(jié)構(gòu)。同時考慮周圍鐵磁性材料對典型包層磁場的影響,典型包層周圍建立簡化的包層模塊以減少計算復(fù)雜度。電磁分析計算了等離子體線性淬滅模式下典型包層磁場強度、感應(yīng)電流、電磁力和電磁力矩分布以及變化。熱分析得到了主破裂事故下包層各個組件溫度隨時間變化規(guī)律,其中保護層以及第一壁最高溫度均高于其安全限值,其余組件溫度不受事故影響。對事故結(jié)束時在不同載荷情況下對包層展開進行應(yīng)力分析,得到相應(yīng)負載下包層應(yīng)力場分布,并依據(jù)SDC-IC和RCC-MX評判準則進行包層應(yīng)力評估,結(jié)果顯示氦冷固態(tài)包層在主破裂事故下能夠保持結(jié)構(gòu)完整性。另外,開展了等離子體垂直位移事故下包層電磁-熱-機械綜合分析。為了模擬垂直位移事故下等離子體的垂直移動,電磁分析模型中采用69根電流絲模擬等離子體區(qū)域,通過電磁分析計算了典型包層磁場強度、感應(yīng)電流、電磁力和力矩隨時間的變化以及分布;熱分析得到了在破裂緩解系統(tǒng)干預(yù)時垂直位移事故下包層各個組件溫度分布和最高溫度隨時間變化規(guī)律,其中保護層和第一壁超過溫度限值,由于事故持續(xù)時間較短,包層其余部件溫度場不受事故影響;對事故結(jié)束時在不同載荷情況下對包層展開進行應(yīng)力分析,得到了相應(yīng)負載下包層應(yīng)力場分布,并進行應(yīng)力評估,結(jié)果顯示氦冷固態(tài)包層在垂直位移事故下能夠保持結(jié)構(gòu)完整性,但第一壁安全裕量較小。本文基于CFETR磁體系統(tǒng)和氦冷固態(tài)包層系統(tǒng)設(shè)計方案,綜合分析了包層電磁、熱、機械耦合效應(yīng),對等離子體瞬態(tài)事故下包層的電磁-熱-機械耦合方法以及包層結(jié)構(gòu)綜合性能評估方法展開了研究,為包層系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供了分析方法和重要參考。
【圖文】：

ＣＢ）包層概念，其中氦冷固態(tài)氚增殖包層概念占其中一半，際發(fā)展的主流包層設(shè)計方案之一該方案優(yōu)勢是：氦氣是良好的相容性可以避免與材料的腐蝕問題，并且可降低提氚難度，同時氦氣冷卻可以避免液態(tài)金屬包層磁流體動力學(xué)（Ｍ增殖劑具有廣泛的世界性的研發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)。因此本文主要研全性能。逡逑統(tǒng)作為托卡馬克聚變裝置中重要部件之一，ＣＦＥＴＲ對增殖選擇等有嚴格的要求。雖然ＩＴＥＲＴＢＭ設(shè)計研究可以為ＣＦＥ案提供參考，然而，，ＩＴＥＲ邋ＴＢＭ和ＣＦＥＴＲ包層系統(tǒng)之間的要求，這使得ＣＦＥＴＲ包層設(shè)計更具挑戰(zhàn)性【｜２］。逡逑ＴＲ運行期間，包層系統(tǒng)將經(jīng)歷不同運行工況，包層所處的力、磁場、真空度、熱通量、輻射、腐蝕），對應(yīng)負載組合方故發(fā)生頻率、事故嚴重程度及可能的事故組合，可以將包層負載分為四類：Ｉ類負載（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ）、ＩＩ類負載（Ｌｉｋｅｌｙ）、ＩＩＩＶ類負載（ＥｘｔｒｅｍｅｌｙＵｎｌｉｋｅｌｙ）丨１３］。包層在穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)事故下：逡逑８邋邐邐邐！邐；邋邋邋１邐ｉ邐逡逑

０邋１００邋２００邋３００邋４００邋５００邋６００邋７００邋８００逡逑Ｒａｄｉａｌ邋ｄｉｓｔａｎｃｅ邋ｆｒｏｍ邋ｌｈｅＦＷ邋（ｍｍ）逡逑圖１．１典型包層模塊功率密度沿徑向變化圖逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TL364.4

【參考文獻】

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本文編號：2638317