作為聚變裝置的關(guān)鍵部件之一,偏濾器要承受嚴(yán)峻的熱負(fù)荷條件。因此對(duì)偏濾器面向等離子體材料和部件的選擇尤為重要。穿管型鎢銅面向等離子體部件因?yàn)槠鋬?yōu)秀的抗熱負(fù)荷輻照性能而被選為ITER偏濾器靶板的部件。作為ITER全鎢偏濾器認(rèn)證項(xiàng)目的一部分,ITER組織(IO)對(duì)等離子體所制造的六件穿管鎢銅模塊在IDTF設(shè)備上進(jìn)行了高熱負(fù)荷輻照測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括5000次10MW/m2和300次20MW/m2,以及額外的700次20MW/m2的熱負(fù)荷輻照。所有的模塊均一次性通過了測(cè)試認(rèn)證。表明等離子體所研制的穿管鎢銅模塊可以達(dá)到ITER的要求。隨后,對(duì)其中的一件模塊開展了臨界熱負(fù)荷測(cè)試,測(cè)量顯示最終的平均吸收熱通量約為27.7 MW/m2,而有限元分析計(jì)算表明實(shí)際局部的吸收熱通量甚至達(dá)到37-39MW/m2。文中針對(duì)此項(xiàng)認(rèn)證實(shí)驗(yàn),首先對(duì)鎢銅穿管結(jié)構(gòu)模塊在高熱輻照實(shí)驗(yàn)過程中的傳熱和受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬演算,進(jìn)而對(duì)輻照后鎢銅模塊進(jìn)行了詳細(xì)的事后分析研究。作為高熱負(fù)荷輻照測(cè)試的重要輔助工具,有限元分析軟件ANSYS被用來模擬鎢銅模塊在不同熱負(fù)荷下的溫度溫度場(chǎng)分布和不同加熱階段的應(yīng)力場(chǎng)分布。通過模擬得到了插入擾流片的模塊在10MW/m2和20MW/m2的熱負(fù)荷條件下的溫度分布,該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的比較一致。計(jì)算還發(fā)現(xiàn)在插入擾流片后流體的運(yùn)動(dòng)變成旋流,明顯增強(qiáng)了冷卻劑和熱沉的對(duì)流換熱效果,但是同時(shí)也會(huì)使壓降增高。對(duì)鎢銅塊的應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)在加熱階段,鎢的表面受到壓應(yīng)力,并且應(yīng)力值超出了該溫度下的屈服應(yīng)力,導(dǎo)致冷卻管正上方的鎢發(fā)生了塑性變形。在鎢銅塊的冷卻的最后階段,冷卻管正上方鎢的表面受到拉應(yīng)力,拉應(yīng)力大小達(dá)980MPa。應(yīng)力集中的位置正是實(shí)驗(yàn)中宏觀開裂易發(fā)生的部位。對(duì)測(cè)試后的模塊進(jìn)行了超聲無(wú)損檢測(cè),發(fā)現(xiàn)部分鎢銅瓦塊的Cu/CuCrZr界面在輻照區(qū)域出現(xiàn)了 1-2mm的缺陷,而W/Cu界面沒有檢測(cè)到缺陷。隨后對(duì)其中的三件模塊進(jìn)行了破壞性分析,得到了與無(wú)損檢測(cè)一致的結(jié)果,即在Cu/CuCrZr界面發(fā)現(xiàn)了開焊現(xiàn)象。對(duì)于開裂的鎢銅塊的觀察發(fā)現(xiàn)裂紋是從鎢表面處萌生,隨著熱循環(huán)過程擴(kuò)展直到鎢銅界面處。通過斷口的觀察發(fā)現(xiàn)鎢開裂的最表面為韌性開裂,主體部分為脆性的沿晶開裂。表面的斷口可以看到典型的"冰糖狀"的形貌。金相學(xué)分析發(fā)現(xiàn)在經(jīng)歷了熱負(fù)荷輻照后WTC-2在冷卻管正上方出現(xiàn)了再結(jié)晶,再結(jié)晶深度約1.7-2.3mm,在邊緣處的再結(jié)晶深度達(dá)3-3.6mm。對(duì)WTC-5的冷卻管正上方可以看到熔化凝固產(chǎn)生的大晶粒,并且再結(jié)晶甚至達(dá)到了鎢銅界面處。顯微維氏硬度的測(cè)試發(fā)現(xiàn)鎢在再結(jié)晶后會(huì)發(fā)生硬度下降的情況,且硬度變化的距離與再結(jié)晶深度一致,這是因?yàn)樵俳Y(jié)晶后缺陷減少造成的。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TL62
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
    1.1 聚變能與托卡馬克裝置
    1.2 鎢作為面向等離子體材料
    1.3 ITER偏濾器
        1.3.1 ITER偏濾器的設(shè)計(jì)
        1.3.2 ITER偏濾器中的熱負(fù)荷
        1.3.3 W/Cu面向等離子體部件
        1.3.4 鎢在高熱負(fù)荷下的損傷行為
    1.4 ITER全鎢偏濾器認(rèn)證項(xiàng)目進(jìn)展
        1.4.1 ITER全鎢偏濾器認(rèn)證項(xiàng)目
        1.4.2 日本對(duì)穿管型鎢銅模塊的研發(fā)和高熱負(fù)荷測(cè)試現(xiàn)狀
        1.4.3 歐洲的穿管型鎢銅模塊的研發(fā)和高熱負(fù)荷測(cè)試現(xiàn)狀
        1.4.4 國(guó)內(nèi)穿管型鎢銅模塊的高熱負(fù)荷研究現(xiàn)狀
    1.5 論文的主要研究?jī)?nèi)容
第二章 穿管型鎢銅小模塊的高熱負(fù)荷測(cè)試
    2.1 為ITER制備穿管結(jié)構(gòu)質(zhì)量認(rèn)證模塊
    2.2 高熱負(fù)荷設(shè)備IDTF
    2.3 高熱負(fù)荷測(cè)試
        2.3.1 樣品的安裝和調(diào)試
        2.3.2 實(shí)驗(yàn)中參數(shù)測(cè)量
        2.3.3 熱掃描
    2.4 臨界熱負(fù)荷測(cè)試
        2.4.1 臨界熱負(fù)荷測(cè)試內(nèi)容
        2.4.2 臨界測(cè)負(fù)荷測(cè)試中的參數(shù)
        2.4.3 有限元模擬熱負(fù)荷通量的分布
    2.5 本章小結(jié)
第三章 高熱負(fù)荷輻照下模塊的有限元模擬
    3.1 模塊的有限元設(shè)計(jì)和分析方法
    3.2 高熱負(fù)荷條件下的溫度分析
        3.2.1 模型的建立
        3.2.2 模型的網(wǎng)格劃分
        3.2.3 高熱熱負(fù)荷下光滑管模塊的溫度場(chǎng)分析
        3.2.4 高熱熱負(fù)荷下插入擾流片的模塊的溫度場(chǎng)分析
    3.3 高熱負(fù)荷下鎢銅塊的熱應(yīng)力分析
    3.4 本章小結(jié)
第四章 高熱負(fù)荷輻照后模塊的事后分析
    4.1 高熱負(fù)荷輻照后的外貌觀察
    4.2 高熱負(fù)荷輻照后模塊的超聲無(wú)損檢測(cè)
    4.3 高熱負(fù)荷輻照后模塊的破壞分析
        4.3.1 裂紋形貌和斷口的觀察
        4.3.2 鎢的再結(jié)晶分析
        4.3.3 焊接界面分析
        4.3.4 顯微硬度分析
    4.4 本章小結(jié)
第五章 總結(jié)與展望
    5.1 全文總結(jié)
    5.2 工作展望
參考文獻(xiàn)
致謝
在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和取得的其他成果

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2827403