【摘要】：包層是導出聚變堆產(chǎn)生熱能的重要部件,并且需要實現(xiàn)氚自持與輻射屏蔽等功能。第一壁結構直接面對等離子體,受到強烈的輻射熱流與高能中子輻照和離子輻照,其熱工結構性能受到極大挑戰(zhàn),制約結構材料使用壽命。液態(tài)第一壁包層采用流動的液態(tài)金屬作為可不斷更新的輻射熱流耐受材料,消除了第一壁結構材料的損傷和使用壽命問題。目前液態(tài)第一壁流動穩(wěn)定性控制是制約其可行性的關鍵問題。液態(tài)金屬自由表面流在聚變堆的強磁場作用下受到磁流體動力學(MagnetoHydroDynamics, MHD)效應的作用,會導致液態(tài)金屬流動阻力增大、流場變得更加復雜,可能造成液態(tài)金屬飛濺,進而導致等離子體破滅。所以的磁流體流動穩(wěn)定性是制約液態(tài)第一壁可行性的關鍵問題。本文針對液態(tài)第一壁流動的穩(wěn)定性問題,基于包層服役的多物理場工況,對比分析現(xiàn)有液態(tài)第一壁概念的結構特征、控制特點、熱工以及中子學性能等因素的基礎上,創(chuàng)新的提出了螺旋流道液態(tài)第一壁方案。該方案的流道沿背壁呈螺旋型下降,螺旋流道方向與螺旋磁場方向相同,液態(tài)金屬從真空室上方沿磁場方向噴入螺旋型流道,在重力和離心力作用下的螺旋流道流體流動分流道內的主流區(qū)和流道外側自由表面流動薄層,主流區(qū)的液態(tài)金屬沿螺旋向下的流道流動,可有效減小MHD效應。螺旋流道外側自由表面流動薄層,具有較大的向下速度,可快速流出堆芯,避免表面溫度過高引起過量蒸發(fā)；內側大部分液態(tài)金屬沿螺旋向下的流道流動,與磁場方向相同,可有效減小MHD效應。本文針對液態(tài)第一壁在強磁場環(huán)境下自由表面流動的特點,通過商用計算流體力學軟件FLUENT所攜帶的MHD模塊,利用VOF (Volume of Fluid)模型對本設計所形成的液態(tài)金屬雙層流動穩(wěn)定性進行了分析驗證。液態(tài)壁自由表面的波動狀態(tài)和液態(tài)金屬的流場分布結果顯示液態(tài)金屬完整覆蓋了螺旋流道和背壁結構,流道內液態(tài)金屬受到Lorentz阻力維持在0.31Mpa以下,沒有出現(xiàn)從真空室頂部直接滴落或傾瀉而下的情況,驗證了方案的流動穩(wěn)定性。在FDS-Ⅱ聚變堆運行條件下,螺旋流道液態(tài)第一壁設計具有良好的中子屏蔽性能和氚增殖性能,三維中子學初步分析結果顯示該液態(tài)第一壁方案氚增殖達到1.63,背壁材料滿功率運行10年的輻照損傷為22.5DPA,低于未來聚變示范堆(DEMO)材料損傷限值(150-200DPA)。同時,計算結果顯示在真空室上部,液態(tài)金屬中有空穴形成,影響流動穩(wěn)定。通過減小入口處流道寬度,增加流道數(shù)量,對入口處流道結構進行優(yōu)化,成功減小了入口處所形成的空腔。這些結果可以對液態(tài)第一壁的流動穩(wěn)定性的深入研究和進一步優(yōu)化設計提供重要參考。
【學位授予單位】：安徽大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TL64

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本文編號：2735281