能源與環(huán)境問題是影響人類社會發(fā)展的關(guān)鍵,聚變能作為解決能源問題的可能途徑之一,具有燃料供應(yīng)充足、熱值高、放射性低、環(huán)境友好等優(yōu)點,聚變能因其清潔性、安全性及可再生性受到廣泛關(guān)注。 CFETR是參考國內(nèi)現(xiàn)有托卡馬克和ITER技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計和建造的一個聚變工程實驗堆。它介于ITER與聚變示范堆之間,旨在基于ITER等離子體物理和聚變技術(shù)基礎(chǔ),驗證聚變堆的工程實現(xiàn)具體技術(shù),是聚變能走向商用的關(guān)鍵一步,對中國聚變能商業(yè)化應(yīng)用具有重大意義。 包層是聚變能走向?qū)嶋H應(yīng)用的核心載體,其主要功能：氚增殖,維持聚變堆反應(yīng)所需的氚,實現(xiàn)氚自持；能量增殖,將聚變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為可利用的熱能或者電能等；輻射屏蔽,減少放射性物質(zhì)的擴散,保護(hù)磁體材料等,包層性能是聚變堆設(shè)計的重要依據(jù),其系統(tǒng)安全性是未來聚變堆能否可靠運行的決定性因素之一。 本文CFETR氦冷固態(tài)包層為研究對象,基于計算流體力學(xué)理論,結(jié)合有限元分析、流固耦合分析方法,采用ANSYS CFX和ANSYS Workbench軟件中的Static Structure模塊對CFETR氦冷固態(tài)包層第一壁和增殖單元進(jìn)行了流固耦合分析及應(yīng)力分析,并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行了第一壁及增殖單元的優(yōu)化設(shè)計及驗證分析。 首先,根據(jù)計算流體力學(xué)、有限元方法及耦合原理建立了數(shù)學(xué)模型；然后,結(jié)合CFETR氦冷固態(tài)包層功能及其設(shè)計特點,運用CATIA建模軟件建立了符合實際的分析模型；其次,運用ANSYS CFX對增殖包層冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行流固耦合分析得到了第一壁、增殖單元的溫度分布、冷卻劑的流場分布規(guī)律；最后,使用ANSYS Workbench軟件,將前面得到的結(jié)構(gòu)材料的溫度分布作為邊界條件對冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析,得到包層冷卻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。 基于分析數(shù)值模擬結(jié)果,結(jié)合CFETR氦冷固態(tài)包層設(shè)計要求和已有的經(jīng)驗數(shù)據(jù),優(yōu)化設(shè)計了第一壁及增殖單元且驗證了優(yōu)化方案的合理性、可靠性。為CFETR氦冷固態(tài)包層優(yōu)化設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持及參考,對CFETR氦冷固態(tài)包層工程設(shè)計的進(jìn)一步完善具有重要意義和應(yīng)用價值。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TL64
【部分圖文】：

磁約束托克馬克裝置圖

-氦冷陶瓷包層設(shè)計目的主要是驗證中國示范聚變堆（DEMO)的氖增殖技術(shù)。氦冷固態(tài)包層的設(shè)計要求如下：包層模塊的整體結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、安全分析等必須滿足CFETR的總體要求；包層系統(tǒng)設(shè)計合理可行并達(dá)到系統(tǒng)氣增殖要求；冷卻劑的選擇及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計能實現(xiàn)高品質(zhì)熱量的獲得和利用；包層冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計要能及時移除表面熱流和體核熱，使整個包層系統(tǒng)的溫度和應(yīng)力控制在允許的限度內(nèi)；包層設(shè)計過程中所用到的設(shè)計工具，包括中子學(xué)計算、電磁計算、熱工水力計算及結(jié)構(gòu)計算的數(shù)據(jù)結(jié)果均需反復(fù)校驗。2.1包層系統(tǒng)描述HCPB包層系統(tǒng)主要由增殖包層（增殖氖，沉積熱等）和屏蔽包層（屏蔽磁體上的快中子通量及核熱等）兩部分組成；其他輔助系統(tǒng)包括包層支撐系統(tǒng)；氣提取系統(tǒng)（移除氣，控制和處理）；氦冷系統(tǒng)(熱轉(zhuǎn)移，熱交換)；冷卻劑凈化系統(tǒng)（氦凈化）；增殖包層遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)（遠(yuǎn)程控制關(guān)聯(lián)到整個包層系統(tǒng)）等。包層在真空室內(nèi)的位置如圖2.1所示。增殖包層通過柔性支撐和一系列鍵和鍵槽固定在支撐背板上，支撐背板通過螺栓安裝于屏蔽包層，屏蔽包層直接安裝在真空室內(nèi)壁。

面一周布置了 10個模塊，其中1-5號為Inboard模塊、6-10為Outboard模塊，1-5號模塊環(huán)向32塊，6-10號模塊環(huán)向56塊，總計440塊包層模塊，如圖2.2所示。^^1 }圖2.2包層模塊總體分布圖Figure2.2 Integration of general blanket module2.2包層模塊設(shè)計如圖2.3，HCPB包層模塊由U形第一壁、蓋板、背板、格板、增殖單元等結(jié)構(gòu)組成；其設(shè)計特點如下：第一壁、上下蓋板、背板構(gòu)成封閉的包層盒體空間，第一壁是包層結(jié)構(gòu)直接面對等離子體的部件，多個背板組成不同的分流腔體，包層盒體內(nèi)部由環(huán)徑向格板構(gòu)成了增殖單元空間，陶瓷增殖劑和中子倍增劑以小球的形式包含在該空間內(nèi)，環(huán)徑向格板煌接在包層盒體的前壁和側(cè)壁；包層盒體結(jié)構(gòu)由8MPa的氦氣冷卻，入口溫度為30(rC,出口溫度為50(rC;增殖區(qū)和鈹區(qū)產(chǎn)生的氣由氖提取系統(tǒng)提取，提氣氣體為He+0.1%H2
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2857341