【摘要】：氚增殖包層是聚變堆的核心部件之一,其主要功能是增殖氚實(shí)現(xiàn)自持、將熱量帶出發(fā)電以及屏蔽中子輻射,水冷包層是聚變堆的一類候選包層。本文針對水冷固態(tài)包層(WCCB)沿徑向分層布置的特點(diǎn),提出了一種“三維+一維+三維”(3D+1D+3D)方法。在迭代優(yōu)化的初始階段,使用一維圓柱中子學(xué)模型和二維熱工水力學(xué)模型開展分析,確定包層的最佳徑向布置,從簡化模型角度提高包層的設(shè)計(jì)效率�；谶@一目標(biāo),開發(fā)了多物理場集成優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺,涵蓋中子學(xué)-熱工水力學(xué)-結(jié)構(gòu)力學(xué)三大領(lǐng)域。通過在可視化界面上點(diǎn)擊操作,在完成包層初始徑向布置和約束條件的定義后,即可自動化完成包層設(shè)計(jì)所涉及的所有操作,如編寫MCNP的輸入文件、創(chuàng)建CFD與ANSYS的幾何結(jié)構(gòu)和數(shù)值模型、定義材料類型、施加載荷以及數(shù)據(jù)處理后在程序間傳輸?shù)?避免了不必要的重復(fù)性工作,極大地提高了工作效率。研究了核熱密度沿徑向的分布規(guī)律,將包層簡化為單種材料氚增殖劑時,對其擬合成指數(shù)衰減形式與實(shí)際分布的相對偏差最高僅為8%。在其中插入冷卻板后,核熱密度在氚增殖單元中的相對偏差為1 6.7%�；谥笖�(shù)衰減的核熱密度分布,建立了氚增殖單元的核熱耦合數(shù)學(xué)模型,得到溫度最大值隨徑向尺寸變化的線性關(guān)系,并植入到多物理場集成優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺,可快速確定最佳徑向布置。使用該平臺對CFETR極向上所有WCCB包層的徑向布置做了優(yōu)化,并基于最佳徑向布置建立了完整的三維中子學(xué)模型,得到全局TBR為1.21,滿足氚自持要求�；诔嗟烂嫔贤獍鼘拥膹较虿贾�,建立了全3D模塊并開展流固耦合分析,相比傳統(tǒng)的3D切塊分析手段,邊界條件少,較可靠真實(shí)地反映實(shí)際結(jié)果。獲得的熱工數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)要求,包括各個部件的溫度場、各個流道的流量和總壓降等。通過比較低維和高維中子學(xué)-熱工水力學(xué)結(jié)果,驗(yàn)證了“3D+1D+3D”方法和多物理場集成優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺的有效性和準(zhǔn)確性。第一壁作為水冷包層的重要部件,直接面臨等離子體的高熱流輻射,對WCCB第一壁內(nèi)置螺旋片的強(qiáng)化傳熱和流動阻力特性做了分析。在歐洲D(zhuǎn)EMO最新熱流分布下,評估了水冷液態(tài)鋰鉛包層(WCLL)第一壁的載熱能力和熱工安全性能,并優(yōu)化了流道結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì),結(jié)果發(fā)現(xiàn)在DEMO堆內(nèi)上X點(diǎn)處需布置限制器或特殊擋板將熱流密度降低至1.34MW/m2。此外,當(dāng)前熱工設(shè)計(jì)足夠安全,遠(yuǎn)離沸騰臨界危機(jī)(DNB)。針對CFETR兩個不同功率(200MW和1GW)的運(yùn)行模式,通過在同一包層中布置兩套冷卻系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一種可同時承受兩種功率的水冷包層,避免了聚變堆在高低功率轉(zhuǎn)換時更換包層的操作,節(jié)省了氚增殖劑、中子倍增劑和鋼結(jié)構(gòu)等材料,提高了CFETR運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
【圖文】：

而且氚增殖劑溫度在釋氚溫度范圍內(nèi)；４）增殖區(qū)總厚度滿足ＣＦＥＴＲ總體組設(shè)計(jì)逡逑要求；５）在等離子體穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)運(yùn)行和事故工況下應(yīng)能保證結(jié)構(gòu)完整性。ＷＣＣＢ逡逑包層設(shè)計(jì)為徑向分層布置，如圖１．１所示，冷卻板和徑向支撐板組成結(jié)構(gòu)骨架，逡逑將氚增殖劑和中子倍增劑分隔成多個單元，構(gòu)成徑向布置。每個單元的核熱功率逡逑由四周的冷卻板帶走，功能區(qū)、冷卻板和第一壁平行。逡逑一般地，如圖１．２所示，包層設(shè)計(jì)步驟為：１）基于提出的包層概念，首先逡逑對初始結(jié)構(gòu)開展中子學(xué)分析，得到氚增殖率與核熱源項(xiàng)，反復(fù)調(diào)整徑向布置或改逡逑變材料配比，直到滿足產(chǎn)氚要求；２）將核熱源項(xiàng)傳遞到熱工水力學(xué)模型中計(jì)算，逡逑如果不滿足熱工要求，則調(diào)整結(jié)構(gòu)返回步驟１重新開展中子學(xué)分析；３）對包層逡逑模型施加載荷開展結(jié)構(gòu)分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)重復(fù)步驟１－３得到最佳的包層設(shè)計(jì)；４）逡逑對結(jié)構(gòu)開展熱工瞬態(tài)、電磁瞬態(tài)、典型安全事故、中子活化及氚輸運(yùn)分析等。因逡逑１逡逑

是逡逑／邋服輸運(yùn)、＋乎活化、邋７逡逑／邋事故瞬態(tài)安全等分析邋／逡逑圖１．２包層設(shè)計(jì)流程逡逑１．２典型水冷包層研究狀況逡逑１．２．１水作為冷卻劑的優(yōu)點(diǎn)逡逑（１）與氣體相比，冷卻水的定壓比熱大，載熱能力強(qiáng)。因此，在相同的熱逡逑流載荷下，，冷卻水在較小的泵功率下，即可對結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)冷卻。冷卻水在裂變逡逑商業(yè)堆（ＢＷＲ和ＰＷＲ）中已得到廣泛的應(yīng)用，如圖１．３所示，而且國內(nèi)外相關(guān)逡逑單位也在積極研發(fā)超臨界水堆（ＳＣＷＲ），成熟的技術(shù)和完整的工業(yè)體系為聚變逡逑堆包層設(shè)計(jì)提供了參考。逡逑：一邋＃逡逑ｒｅ邋Ｓｆｒ逡逑圖１．３裂變堆冷卻水的應(yīng)用逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TL64

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本文編號：2662236