【摘要】：氚增殖包層是聚變堆的核心部件之一,其主要功能是增殖氚實現(xiàn)自持、將熱量帶出發(fā)電以及屏蔽中子輻射,水冷包層是聚變堆的一類候選包層。本文針對水冷固態(tài)包層(WCCB)沿徑向分層布置的特點,提出了一種“三維+一維+三維”(3D+1D+3D)方法。在迭代優(yōu)化的初始階段,使用一維圓柱中子學模型和二維熱工水力學模型開展分析,確定包層的最佳徑向布置,從簡化模型角度提高包層的設計效率。基于這一目標,開發(fā)了多物理場集成優(yōu)化設計平臺,涵蓋中子學-熱工水力學-結構力學三大領域。通過在可視化界面上點擊操作,在完成包層初始徑向布置和約束條件的定義后,即可自動化完成包層設計所涉及的所有操作,如編寫MCNP的輸入文件、創(chuàng)建CFD與ANSYS的幾何結構和數(shù)值模型、定義材料類型、施加載荷以及數(shù)據(jù)處理后在程序間傳輸?shù)?避免了不必要的重復性工作,極大地提高了工作效率。研究了核熱密度沿徑向的分布規(guī)律,將包層簡化為單種材料氚增殖劑時,對其擬合成指數(shù)衰減形式與實際分布的相對偏差最高僅為8%。在其中插入冷卻板后,核熱密度在氚增殖單元中的相對偏差為1 6.7%。基于指數(shù)衰減的核熱密度分布,建立了氚增殖單元的核熱耦合數(shù)學模型,得到溫度最大值隨徑向尺寸變化的線性關系,并植入到多物理場集成優(yōu)化設計平臺,可快速確定最佳徑向布置。使用該平臺對CFETR極向上所有WCCB包層的徑向布置做了優(yōu)化,并基于最佳徑向布置建立了完整的三維中子學模型,得到全局TBR為1.21,滿足氚自持要求。基于赤道面上外包層的徑向布置,建立了全3D模塊并開展流固耦合分析,相比傳統(tǒng)的3D切塊分析手段,邊界條件少,較可靠真實地反映實際結果。獲得的熱工數(shù)據(jù)均滿足設計要求,包括各個部件的溫度場、各個流道的流量和總壓降等。通過比較低維和高維中子學-熱工水力學結果,驗證了“3D+1D+3D”方法和多物理場集成優(yōu)化設計平臺的有效性和準確性。第一壁作為水冷包層的重要部件,直接面臨等離子體的高熱流輻射,對WCCB第一壁內置螺旋片的強化傳熱和流動阻力特性做了分析。在歐洲DEMO最新熱流分布下,評估了水冷液態(tài)鋰鉛包層(WCLL)第一壁的載熱能力和熱工安全性能,并優(yōu)化了流道結構和冷卻系統(tǒng)設計,結果發(fā)現(xiàn)在DEMO堆內上X點處需布置限制器或特殊擋板將熱流密度降低至1.34MW/m2。此外,當前熱工設計足夠安全,遠離沸騰臨界危機(DNB)。針對CFETR兩個不同功率(200MW和1GW)的運行模式,通過在同一包層中布置兩套冷卻系統(tǒng),設計了一種可同時承受兩種功率的水冷包層,避免了聚變堆在高低功率轉換時更換包層的操作,節(jié)省了氚增殖劑、中子倍增劑和鋼結構等材料,提高了CFETR運行的經(jīng)濟性。
【圖文】：

而且氚增殖劑溫度在釋氚溫度范圍內；４）增殖區(qū)總厚度滿足ＣＦＥＴＲ總體組設計逡逑要求；５）在等離子體穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)運行和事故工況下應能保證結構完整性。ＷＣＣＢ逡逑包層設計為徑向分層布置，如圖１．１所示，冷卻板和徑向支撐板組成結構骨架，逡逑將氚增殖劑和中子倍增劑分隔成多個單元，構成徑向布置。每個單元的核熱功率逡逑由四周的冷卻板帶走，功能區(qū)、冷卻板和第一壁平行。逡逑一般地，如圖１．２所示，包層設計步驟為：１）基于提出的包層概念，首先逡逑對初始結構開展中子學分析，得到氚增殖率與核熱源項，反復調整徑向布置或改逡逑變材料配比，直到滿足產(chǎn)氚要求；２）將核熱源項傳遞到熱工水力學模型中計算，逡逑如果不滿足熱工要求，則調整結構返回步驟１重新開展中子學分析；３）對包層逡逑模型施加載荷開展結構分析，優(yōu)化結構重復步驟１－３得到最佳的包層設計；４）逡逑對結構開展熱工瞬態(tài)、電磁瞬態(tài)、典型安全事故、中子活化及氚輸運分析等。因逡逑１逡逑

是逡逑／邋服輸運、＋乎活化、邋７逡逑／邋事故瞬態(tài)安全等分析邋／逡逑圖１．２包層設計流程逡逑１．２典型水冷包層研究狀況逡逑１．２．１水作為冷卻劑的優(yōu)點逡逑（１）與氣體相比，冷卻水的定壓比熱大，載熱能力強。因此，在相同的熱逡逑流載荷下，，冷卻水在較小的泵功率下，即可對結構材料實現(xiàn)冷卻。冷卻水在裂變逡逑商業(yè)堆（ＢＷＲ和ＰＷＲ）中已得到廣泛的應用，如圖１．３所示，而且國內外相關逡逑單位也在積極研發(fā)超臨界水堆（ＳＣＷＲ），成熟的技術和完整的工業(yè)體系為聚變逡逑堆包層設計提供了參考。逡逑：一邋＃逡逑ｒｅ邋Ｓｆｒ逡逑圖１．３裂變堆冷卻水的應用逡逑３逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TL64

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 劉成安;聚變-裂變混合堆快裂變包層與抑制裂變包層的比較[J];計算物理;1993年01期

2 周義海;;光纖分支[J];光纖與電纜及其應用技術;1987年03期

3 林志瑗,李振華,杜柏林,肖天鵬,馬益民;雙α分布三包層色散平坦單模光纖[J];應用科學學報;1988年04期

4 俞志堯;Mira變星的有軸對稱轉動膨脹的拱星包層速度流場[J];Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics;1989年01期

5 劉成安;聚變-裂變混合堆物理概述[J];核技術;1989年Z1期

6 史朝翔;張世佩;;有限包層單模、單極化光纖的特性分析[J];北京郵電學院學報;1989年01期

7 柏云清;陳紅麗;劉松林;宋勇;曾勤;黃群英;吳宜燦;;聚變堆增殖包層概念特征比較研究[J];核科學與工程;2008年03期

8 耿鵬程;衣永青;龐璐;;光子晶體光纖中局域包層模式的特性[J];光纖與電纜及其應用技術;2015年02期

9 劉松林,汪衛(wèi)華,龍鵬程,吳宜燦;聚變發(fā)電反應堆雙冷液態(tài)鋰鉛包層模塊結構設計與分析[J];核科學與工程;2005年01期

10 許增裕;聚變包層工藝和材料研究進展[J];中國核科技報告;1998年S3期

相關會議論文 前10條

1 程杰;巫英偉;秋穗正;蘇光輝;ZHU Da-huan;Tian Wen-xi;;超臨界水冷固態(tài)實驗包層中子學研究[A];第十四屆全國反應堆熱工流體學術會議暨中核核反應堆熱工水力技術重點實驗室2015年度學術年會論文集[C];2015年

2 張曉東;韓穎;朱守正;劉昆;趙金歧;張德生;;紅外電解質包層金屬空心波導的制備[A];全國第十次光纖通信暨第十一屆集成光學學術會議（OFCIO’2001）論文集[C];2001年

3 劉辰;曹學武;;聚變核數(shù)據(jù)庫在水冷包層模塊中子學特性模擬的影響研究[A];中國核科學技術進展報告（第四卷）——中國核學會2015年學術年會論文集第7冊（計算物理分卷、核物理分卷、粒子加速器分卷、核聚變與等離子體物理分卷、脈沖功率技術及其應用分卷、輻射物理分卷）[C];2015年

4 黃群英;FDS團隊;;中國液態(tài)鋰鉛包層材料研究進展[A];中國核學會核材料分會2007年度學術交流會論文集[C];2007年

5 黃群英;李春京;李艷芬;劉少軍;宋勇;彭蕾;章毛連;朱志強;高勝;郭智慧;王永亮;吳宜燦;周新貴;萬發(fā)榮;單以銀;郁金南;朱升云;張品源;楊建鋒;李合琴;巨新;室賀健夫;長坂琢也;大貫`忝

本文編號：2662236