【摘要】：聚變能由于清潔、蘊(yùn)能巨大而受到全球重視,國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)是一個(gè)為驗(yàn)證受控核聚變技術(shù)可行性而建立的超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。堆內(nèi)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(dāng)熱流密度超過允許值時(shí),結(jié)構(gòu)應(yīng)力將超過許用應(yīng)力,造成部件失效進(jìn)而形成安全事故,因此需要采取強(qiáng)化換熱手段,提高換熱效率、降低結(jié)構(gòu)材料的最高溫度和溫度梯度。論文圍繞聚變堆內(nèi)高熱流部件的強(qiáng)化換熱重難點(diǎn)問題,主要針對(duì)水冷超汽化第一壁強(qiáng)化換熱技術(shù)和氦冷包層第一壁強(qiáng)化換熱技術(shù)開展了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。通過研制的水冷超汽化實(shí)驗(yàn)回路對(duì)第一壁不同的超汽化實(shí)驗(yàn)樣件、流動(dòng)參數(shù)、輸入熱流等進(jìn)行了超汽化換熱機(jī)理實(shí)驗(yàn),發(fā)展了平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)、高速微距攝影(HSP)和粒子圖像測(cè)速(PIV)相結(jié)合的測(cè)量技術(shù),用于觀察超汽化現(xiàn)象中氣泡的成核、生長(zhǎng)、匯聚和破裂,并測(cè)量了超汽化流場(chǎng)中的溫度分布及渦旋運(yùn)動(dòng),為超汽化強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展了一種可行的實(shí)時(shí)非接觸式測(cè)量技術(shù)。建立了基于流體動(dòng)力學(xué)軟件的超汽化過冷沸騰強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的合理性和數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。創(chuàng)新性提出“充-放”式方法建設(shè)氦氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)壓力在3～8MPa范圍內(nèi)可調(diào),流量最大0.21Kg/s。利用研制的高壓氦氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),加工了實(shí)驗(yàn)段對(duì)第一壁高壓氦氣強(qiáng)化換熱技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過在第一壁流道面向等離子體側(cè)內(nèi)壁設(shè)置肋片,可以有效降低結(jié)構(gòu)的最高溫度和溫度梯度,提高結(jié)構(gòu)臨界熱流密度。采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同湍流模型的計(jì)算結(jié)果與強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果表明光滑壁流道時(shí)采用RealizbleKε模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值誤差最小;當(dāng)面向等離子體側(cè)內(nèi)壁設(shè)置肋片的復(fù)雜流動(dòng)工況下,采用分離渦模型(DES)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值誤差最小。在此基礎(chǔ)上,對(duì)中國氦冷球床包層(HCCB)第一壁流道中設(shè)置橫肋和V型肋等強(qiáng)化換熱方案進(jìn)行了數(shù)值模擬優(yōu)化,獲得了 HCCB氦冷第一壁肋片強(qiáng)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(qū)動(dòng)功率和成本,提出采用He/CO2二元混合氣體作為工質(zhì)冷卻HCCB第一壁的新方法,運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)比分析了與純氦冷相比時(shí)的冷卻性能和循環(huán)功率,并討論了新方法的可行性和強(qiáng)化換熱機(jī)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(hù)外部設(shè)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(shè)計(jì)，沿極向方向分割逡逑為１８塊，第１？６號(hào)為內(nèi)包層模塊，７？１０號(hào)為上部包層模塊，１１？１８號(hào)為外包層逡逑模塊，內(nèi)包層環(huán)向２０。為一個(gè)扇形區(qū)，外包層環(huán)向ＨＴ為一個(gè)扇形區(qū)，整個(gè)屏蔽逡逑２逡逑

逑包層系統(tǒng)由１８?jìng)�(gè)內(nèi)包層扇形區(qū)和３６個(gè)內(nèi)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(hào)逡逑ＩＴＥＲ屏蔽包層共分為４４０個(gè)模塊，每個(gè)模塊由第一壁、屏蔽模塊和支撐結(jié)逡逑構(gòu)等組成，如圖１．３（ａ）所示，第一壁和屏蔽模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１．３（ｂ）所示，模塊逡逑上的第一壁根據(jù)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(jìn)入第一壁內(nèi)冷卻流道對(duì)第逡逑一壁進(jìn)行冷卻，之后再流入屏蔽模塊內(nèi)部進(jìn)行冷卻，最后經(jīng)過同軸水力連接器流逡逑出［１２］。逡逑進(jìn)出口主水管逡逑＿逡逑（ａ）邋ＩＴＥＲ屏蔽包層結(jié)構(gòu)邐（ｂ）第一壁結(jié)構(gòu)逡逑圖１．３邋ＩＴＥＲ屏蔽包層及第一壁結(jié)構(gòu)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(dá)到１．４ＭＷ／ｍ２，逡逑目前１ＴＥＲ設(shè)計(jì)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(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TL64

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本文編號(hào)：2633523