【摘要】：國際熱核聚變實驗堆(ITER)是一個托卡馬克裝置。在長期運行條件下,在快速原子、離子的轟擊等作用下,ITER真空腔內會積累大量灰塵。在事故條件下,灰塵懸浮遷移帶來的灰塵爆炸風險以及灰塵發(fā)生化學反應帶來的氫氣風險會嚴重威脅ITER的安全運行。本課題采用計算流體動力學方法,從實驗級和系統(tǒng)級兩個層次對聚變裝置灰塵的遷移分布特性及灰塵帶來的氫氣風險進行了數(shù)值研究,具體包括以下四個方面:(1)建立了基于STARDUST實驗裝置的灰塵遷移計算模型,對灰塵物性以及障礙物對灰塵遷移特性的影響進行了分析,結果表明:當灰塵密度、粒徑越小時,灰塵與氣體的運動軌跡就越接近;當障礙物的存在阻擋了氣流對灰塵的直接沖擊時,就會極大地限制灰塵的遷移。(2)建立了基于ITER裝置的灰塵分布計算模型,分析了失真空事故(LOVA)條件下灰塵在ITER裝置內的分布特性,結果表明:截面位置處灰塵體積分數(shù)的平均值,隨著截面高度的增加先降低后趨于穩(wěn)定;截面位置處灰塵體積分數(shù)的平均值,隨著時間推移先升高后趨于穩(wěn)定;當達到空氣的最大夾帶能力之后,繼續(xù)增加灰塵的質量,并不會明顯改變灰塵的空間分布。(3)建立了基于LSGMF裝置的多組分氣體混合特性計算模型,研究了氫氣的混合行為,并計算分析了氮氣和水蒸氣對氫氣風險的惰化緩解效果,得到以下結論:當通過減小噴嘴管徑而增大入口流速時,氦氣的濃度分布是相似的;當增大入口流量時,氮氣對氫氣風險的緩解效果得到改善;不同注入方位條件下,氮氣對氫氣風險的緩解效果具有明顯的局部差異性;在相同質量流量條件下,與氮氣惰化相比,水蒸氣惰化對氫氣風險的緩解效果更好。(4)針對“Wet bypass”事故序列,對不同產(chǎn)氫速率,不同冷卻劑破口流量工況條件下的ITER真空室內的氫氣風險進行了分析,結果表明:破口冷卻劑流量的增大會對氫氣風險起到緩解作用,而產(chǎn)氫速率的增大對氫氣風險的影響則需要綜合考量。本課題的開展,將有助于加強對ITER裝置中灰塵安全問題的認識,有助于今后相關消除或者緩解策略的制定。
【圖文】：

如圖 2-1 所示[54]；而 STARDUST 實驗裝置的兩個空氣入口（A 入口和 B 入口）則分別用來模擬 ITER 裝置的中部腔室和偏濾器腔室的破裂，如圖 2-2 所示[55]。圖 2-3 是 STARDUST 運行圖。在不銹鋼裝置的外表面布置有電阻絲，可用以加熱裝置，以達到實驗所需的環(huán)境溫度；一臺真空泵與真空室連接，，用以吸出其內部的空氣，以達到實驗所需的真空環(huán)境；A 入口和 B 入口與壓縮空氣管線連接，用以向真空室中注入空氣；在真空室內部放置有一個托盤，用來盛放灰塵。STARDUST 裝置是通過安裝于實驗裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來進行溫度，壓力，真空度，空氣進口流量等的控制，以達到所需的實驗條件。2.2 STARDUST 物理和網(wǎng)格模型表 2-1 所示為 STARDUST 裝置的主要尺寸[56]，據(jù)此，建立 STARDUST 實驗裝置的二維物理模型，如圖 2-4 所示。此二維物理模型經(jīng)過容器的軸線，且考慮了 A 和 B 兩個空氣入口。圖 2-5 所示 STARDUST 實驗裝置的網(wǎng)格模型[56]，經(jīng)網(wǎng)格敏感性分析，在綜合考慮計算精度以及計算效率的基礎上，選取的網(wǎng)格單元數(shù)為 29133。

如圖 2-1 所示[54]；而 STARDUST 實驗裝置的兩個空氣入口（A 入口和 B 入口）則分別用來模擬 ITER 裝置的中部腔室和偏濾器腔室的破裂，如圖 2-2 所示[55]。圖 2-3 是 STARDUST 運行圖。在不銹鋼裝置的外表面布置有電阻絲，可用以加熱裝置，以達到實驗所需的環(huán)境溫度；一臺真空泵與真空室連接，用以吸出其內部的空氣，以達到實驗所需的真空環(huán)境；A 入口和 B 入口與壓縮空氣管線連接，用以向真空室中注入空氣；在真空室內部放置有一個托盤，用來盛放灰塵。STARDUST 裝置是通過安裝于實驗裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來進行溫度，壓力，真空度，空氣進口流量等的控制，以達到所需的實驗條件。2.2 STARDUST 物理和網(wǎng)格模型表 2-1 所示為 STARDUST 裝置的主要尺寸[56]，據(jù)此，建立 STARDUST 實驗裝置的二維物理模型，如圖 2-4 所示。此二維物理模型經(jīng)過容器的軸線，且考慮了 A 和 B 兩個空氣入口。圖 2-5 所示 STARDUST 實驗裝置的網(wǎng)格模型[56]，經(jīng)網(wǎng)格敏感性分析，在綜合考慮計算精度以及計算效率的基礎上，選取的網(wǎng)格單元數(shù)為 29133。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TL631.24

【相似文獻】

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1 侯麗強;聚變裝置灰塵遷移及其帶來的氫氣風險研究[D];上海交通大學;2016年

本文編號：2622165