發(fā)布時(shí)間：2020-04-24 00:22

【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(qiáng)磁場(chǎng)、高熱流、高輻照的嚴(yán)酷環(huán)境中,承受較大的熱、機(jī)械負(fù)載和電磁負(fù)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(shí)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(jī)械和電磁負(fù)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(jì)方案對(duì)等離子體瞬態(tài)事故下包層的電磁-熱-機(jī)械耦合方法以及包層結(jié)構(gòu)綜合性能評(píng)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(xiǎn),同時(shí)由于電流的喪失,磁場(chǎng)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(shí)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(jī)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(jì)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(duì)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(xì)結(jié)構(gòu)。同時(shí)考慮周圍鐵磁性材料對(duì)典型包層磁場(chǎng)的影響,典型包層周圍建立簡(jiǎn)化的包層模塊以減少計(jì)算復(fù)雜度。電磁分析計(jì)算了等離子體線性淬滅模式下典型包層磁場(chǎng)強(qiáng)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(gè)組件溫度隨時(shí)間變化規(guī)律,其中保護(hù)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(duì)事故結(jié)束時(shí)在不同載荷情況下對(duì)包層展開進(jìn)行應(yīng)力分析,得到相應(yīng)負(fù)載下包層應(yīng)力場(chǎng)分布,并依據(jù)SDC-IC和RCC-MX評(píng)判準(zhǔn)則進(jìn)行包層應(yīng)力評(píng)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(jī)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(dòng),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(jì)算了典型包層磁場(chǎng)強(qiáng)度、感應(yīng)電流、電磁力和力矩隨時(shí)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(shí)垂直位移事故下包層各個(gè)組件溫度分布和最高溫度隨時(shí)間變化規(guī)律,其中保護(hù)層和第一壁超過溫度限值,由于事故持續(xù)時(shí)間較短,包層其余部件溫度場(chǎng)不受事故影響;對(duì)事故結(jié)束時(shí)在不同載荷情況下對(duì)包層展開進(jìn)行應(yīng)力分析,得到了相應(yīng)負(fù)載下包層應(yīng)力場(chǎng)分布,并進(jìn)行應(yīng)力評(píng)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(jì)方案,綜合分析了包層電磁、熱、機(jī)械耦合效應(yīng),對(duì)等離子體瞬態(tài)事故下包層的電磁-熱-機(jī)械耦合方法以及包層結(jié)構(gòu)綜合性能評(píng)估方法展開了研究,為包層系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)方案之一該方案優(yōu)勢(shì)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(shí)氦氣冷卻可以避免液態(tài)金屬包層磁流體動(dòng)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(duì)增殖選擇等有嚴(yán)格的要求。雖然ＩＴＥＲＴＢＭ設(shè)計(jì)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(jì)更具挑戰(zhàn)性【｜２］。逡逑ＴＲ運(yùn)行期間，包層系統(tǒng)將經(jīng)歷不同運(yùn)行工況，包層所處的力、磁場(chǎng)、真空度、熱通量、輻射、腐蝕），對(duì)應(yīng)負(fù)載組合方故發(fā)生頻率、事故嚴(yán)重程度及可能的事故組合，可以將包層負(fù)載分為四類：Ｉ類負(fù)載（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ）、ＩＩ類負(fù)載（Ｌｉｋｅｌｙ）、ＩＩＩＶ類負(fù)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TL364.4

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 張一鳴;曾麗萍;沈欣媛;張利;丁亞清;肖成馨;康衛(wèi)紅;王海;;ITER計(jì)劃與聚變能發(fā)展戰(zhàn)略[J];核聚變與等離子體物理;2013年04期

2 高椿明;秦臻;陳顏靜;;ITER中國(guó)實(shí)驗(yàn)包層在等離子主破裂下的電磁耦合評(píng)估[J];電子科技大學(xué)學(xué)報(bào);2013年05期

3 李建剛;趙君煜;彭子龍;;全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置[J];中國(guó)科學(xué)院院刊;2008年05期

4 馮開明;;ITER實(shí)驗(yàn)包層計(jì)劃綜述[J];核聚變與等離子體物理;2006年03期

本文編號(hào)：2638317