【摘要】：國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）是中國參與的最大的國際合作項(xiàng)目之一，它對推動(dòng)我國基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展和工程技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義。包層是聚變反應(yīng)堆堆內(nèi)產(chǎn)生的能量傳輸與轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。就包層技術(shù)而言，如何保證包層能夠得到充分、均勻地冷卻以保證聚變堆維持高效、安全、可靠的運(yùn)行，是包層課題需要解決的首要問題。目前，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆各參與方已提出多種試驗(yàn)包層模塊（TBM）方案，主要集中于水冷固態(tài)增殖包層、氦冷固態(tài)增殖包層、氦冷液態(tài)鋰鉛增殖包層、自冷液態(tài)增殖包層以及自冷熔鹽包層。就氚增殖劑而言，參與計(jì)劃的各方目前均采用固態(tài)增殖包層概念，就包層結(jié)構(gòu)材料而言，低活化鐵素體鋼為首要候選材料。日本于1999年首先提出超臨界水冷固態(tài)增殖包層概念設(shè)計(jì)，并積極著手開展將超臨界水冷概念應(yīng)用于聚變包層的相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)研究。超臨界水冷包層方案在保留水冷發(fā)電技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)在工程上成熟性與延續(xù)性（超臨界火電、超臨界水冷裂變堆）的基礎(chǔ)上，有較高的熱效率，是具有綜合優(yōu)勢的一種聚變堆包層方案的選擇。 本文從傳熱與流動(dòng)兩個(gè)方面研究超臨界水冷固態(tài)增殖包層的熱工水力特性，并在研究的基礎(chǔ)上，初步提出針對超臨界水冷固態(tài)增殖包層熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。包層的穩(wěn)態(tài)熱工分析任務(wù)就是靜態(tài)工況下良好地冷卻整個(gè)包層系統(tǒng)，提供一個(gè)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的輸熱系統(tǒng)。第一壁是包層的關(guān)鍵部位，其熱工安全性一定程度上決定了整個(gè)試驗(yàn)包層模塊TBM的安全。本文針對超臨界水冷固態(tài)增殖包層的第一壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行額定工況下的穩(wěn)態(tài)熱工分析。首先，建立第一壁系統(tǒng)模型，確定正常運(yùn)行工況下系統(tǒng)各參數(shù)。運(yùn)用數(shù)值計(jì)算軟件對額定運(yùn)行工況下的第一壁進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱工分析。在數(shù)值計(jì)算過程中，分析了網(wǎng)格敏感性，選定合適的湍流模型和網(wǎng)格數(shù)目，考察了湍流模型對計(jì)算結(jié)果的影響。數(shù)值模擬了不同系統(tǒng)參數(shù)對第一壁結(jié)構(gòu)溫度場、應(yīng)力場的敏感性，特別地，對比了不同的冷卻管道形狀、幾何參數(shù)、冷卻劑流動(dòng)方向下的第一壁結(jié)構(gòu)中溫度與應(yīng)力大小、分布的差異，冷卻劑傳熱的差異，為超臨界水冷固態(tài)增殖包層熱工設(shè)計(jì)提供熱與應(yīng)力耦合的基本量值關(guān)系。 除了熱與應(yīng)力分析，本文還進(jìn)行了超臨界水冷包層的水力學(xué)研究。在超臨界壓力下，水在擬臨界點(diǎn)附近的比熱、密度等物性發(fā)生劇烈變化，，而不均勻的體積變化可能引起流動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象，因此，對包層冷卻劑流動(dòng)穩(wěn)定性的研究分析十分重要。本文采用頻域分析法，使用Matlab編程對超臨界壓力水冷固態(tài)增殖包層內(nèi)冷卻劑的流動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。首先根據(jù)超臨界水冷固態(tài)增殖包層冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了幾何模型，確定了系統(tǒng)參數(shù)和額定工況。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用頻域法進(jìn)行了超臨界水冷固態(tài)增殖包層中冷卻劑流動(dòng)的穩(wěn)定性分析：從基本控制方程出發(fā)，通過拉氏變換推演對應(yīng)的特征方程，通過數(shù)值計(jì)算求解特征根，由此判明某運(yùn)行工況下系統(tǒng)的流動(dòng)穩(wěn)定性特征；通過進(jìn)一步計(jì)算，由冷卻劑不同入口焓值及熱功率條件下的穩(wěn)定性特征得到系統(tǒng)相應(yīng)的穩(wěn)定性邊界及穩(wěn)定域。進(jìn)一步地，本文還研究了系統(tǒng)進(jìn)口與出口局部阻力等對系統(tǒng)穩(wěn)定性邊界的影響。 上述這些工作為未來熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的提出及工程設(shè)計(jì)提供了有益的參考。在穩(wěn)態(tài)熱工和水力計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，初步提出了針對超臨界水冷固態(tài)增殖包層的熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
【圖文】：

圖 1.1 聚變反應(yīng)堆整體結(jié)構(gòu)剖面圖.1.1 Sectional view of the fusion reactor overall structure應(yīng)堆的重要部件，需要產(chǎn)生和輸運(yùn)反應(yīng)所需的氚發(fā)進(jìn)行；將聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換熱能，由冷

圖 1.3 日本水冷固態(tài)陶瓷增殖包層方案Fig.1.3 Japanese water-cooled solid ceramic breeder blanket concep態(tài)陶瓷增殖包層雖然只是水冷包層的后備方案，但如果在料方面有突破，這種方案會(huì)比水冷有更高熱效率，也具有
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TL63

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2671941