【摘要】：聚變能由于清潔、蘊能巨大而受到全球重視,國際熱核聚變實驗堆(ITER)是一個為驗證受控核聚變技術可行性而建立的超導托卡馬克實驗反應堆。堆內直接面向等離子體的高熱流部件,如包層和偏濾器第一壁等,需要承受高溫等離子體輻射的高熱流和高能中子沉積的高功率密度核熱,當熱流密度超過允許值時,結構應力將超過許用應力,造成部件失效進而形成安全事故,因此需要采取強化換熱手段,提高換熱效率、降低結構材料的最高溫度和溫度梯度。論文圍繞聚變堆內高熱流部件的強化換熱重難點問題,主要針對水冷超汽化第一壁強化換熱技術和氦冷包層第一壁強化換熱技術開展了實驗和數(shù)值模擬研究。通過研制的水冷超汽化實驗回路對第一壁不同的超汽化實驗樣件、流動參數(shù)、輸入熱流等進行了超汽化換熱機理實驗,發(fā)展了平面激光誘導熒光(PLIF)、高速微距攝影(HSP)和粒子圖像測速(PIV)相結合的測量技術,用于觀察超汽化現(xiàn)象中氣泡的成核、生長、匯聚和破裂,并測量了超汽化流場中的溫度分布及渦旋運動,為超汽化強化換熱實驗研究發(fā)展了一種可行的實時非接觸式測量技術。建立了基于流體動力學軟件的超汽化過冷沸騰強化換熱數(shù)值模擬模型和方法,相變過程通過用戶自定義程序(UDF)接口加載到流體體積函數(shù)模型(VOF)控制方程中,利用實驗結果驗證了數(shù)值模擬方法的合理性和數(shù)值模擬結果的正確性。創(chuàng)新性提出“充-放”式方法建設氦氣實驗系統(tǒng),實驗壓力在3～8MPa范圍內可調,流量最大0.21Kg/s。利用研制的高壓氦氣實驗系統(tǒng),加工了實驗段對第一壁高壓氦氣強化換熱技術進行了實驗研究。實驗結果表明,通過在第一壁流道面向等離子體側內壁設置肋片,可以有效降低結構的最高溫度和溫度梯度,提高結構臨界熱流密度。采用數(shù)值模擬方法對不同湍流模型的計算結果與強化換熱實驗測量值進行對比驗證,結果表明光滑壁流道時采用RealizbleKε模型的計算結果與實驗測量值誤差最小;當面向等離子體側內壁設置肋片的復雜流動工況下,采用分離渦模型(DES)計算結果與實驗測量值誤差最小。在此基礎上,對中國氦冷球床包層(HCCB)第一壁流道中設置橫肋和V型肋等強化換熱方案進行了數(shù)值模擬優(yōu)化,獲得了 HCCB氦冷第一壁肋片強化換熱的最優(yōu)方案。為提高氦冷第一壁冷卻能力和效率,降低驅動功率和成本,提出采用He/CO2二元混合氣體作為工質冷卻HCCB第一壁的新方法,運用數(shù)值模擬方法對比分析了與純氦冷相比時的冷卻性能和循環(huán)功率,并討論了新方法的可行性和強化換熱機理,為第一壁的高效冷卻提供了一種潛在可行的新方案。
【圖文】：

１．２．１邋ＩＴＥＲ屏蔽包層研究現(xiàn)狀逡逑屏蔽包層的主要作用為移除熱沉積，屏蔽聚變中子，保護外部設備不受中子逡逑輻照而活化。如圖１．２所示，ＩＴＥＲ屏蔽包層采用模塊化設計，沿極向方向分割逡逑為１８塊，第１？６號為內包層模塊，７？１０號為上部包層模塊，１１？１８號為外包層逡逑模塊，內包層環(huán)向２０。為一個扇形區(qū)，外包層環(huán)向ＨＴ為一個扇形區(qū)，整個屏蔽逡逑２逡逑

逑包層系統(tǒng)由１８個內包層扇形區(qū)和３６個內包層扇形區(qū)組成［１１］。逡逑圖１．２邋ＩＴＥＲ屏蔽包層位置及編號逡逑ＩＴＥＲ屏蔽包層共分為４４０個模塊，每個模塊由第一壁、屏蔽模塊和支撐結逡逑構等組成，如圖１．３（ａ）所示，第一壁和屏蔽模塊內部結構如圖１．３（ｂ）所示，模塊逡逑上的第一壁根據位置不同被分為４？６塊，通過焊接方式連接到屏蔽塊。主管輸入逡逑的冷卻水通過同軸水力連接器分流，由第一壁前集箱進入第一壁內冷卻流道對第逡逑一壁進行冷卻，之后再流入屏蔽模塊內部進行冷卻，最后經過同軸水力連接器流逡逑出［１２］。逡逑進出口主水管逡逑＿逡逑（ａ）邋ＩＴＥＲ屏蔽包層結構邐（ｂ）第一壁結構逡逑圖１．３邋ＩＴＥＲ屏蔽包層及第一壁結構逡逑ＩＴＥＲ屏蔽包層參數(shù)如表１．１所示，，第一壁上的最大熱流密度達到１．４ＭＷ／ｍ２，逡逑目前１ＴＥＲ設計的屏蔽包層冷卻劑均為水冷，壓力３ＭＰａ，入口溫度為１００°Ｃ。逡逑由于在某些位置的屏蔽包層第一壁需承受高熱流（如在赤道附近區(qū)域的包層第一逡逑壁
【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】：2018
【分類號】：TL64

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本文編號：2633523