【摘要】：偏濾器作為核聚變裝置的關(guān)鍵部件之一,其熱載承受能力對聚變裝置的穩(wěn)定及安全運(yùn)行至關(guān)重要。為進(jìn)一步提升偏濾器部件的換熱能力,本文在ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)平板型超蒸發(fā)強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,發(fā)展了一種新型內(nèi)肋換熱結(jié)構(gòu),并利用數(shù)值分析的方法初步驗(yàn)證了新型內(nèi)肋結(jié)構(gòu)的合理性;其次,首次開展了一步熱等靜壓擴(kuò)散焊法制備鎢/銅/鋼復(fù)合模塊的工藝研究,并成功制備出新型超蒸發(fā)換熱模塊;最后,利用電子束高熱負(fù)荷測試平臺,對新型強(qiáng)化換熱模塊開展了高溫?zé)嶝?fù)荷測試研究。首先,以ITER超蒸發(fā)強(qiáng)化換熱平板結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),設(shè)計了新型內(nèi)肋結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)改變了以ITER橫向內(nèi)肋結(jié)構(gòu)為主的傳統(tǒng)思路,轉(zhuǎn)為以縱向內(nèi)肋結(jié)構(gòu)為主,橫向內(nèi)肋結(jié)構(gòu)為輔的復(fù)合設(shè)計�？v向內(nèi)肋結(jié)構(gòu)的設(shè)計可有效增加部件的換熱面積,大幅度降低了模塊內(nèi)部流體的壓降;同時,縱向內(nèi)肋結(jié)構(gòu)的兩端直接與模塊的兩端相連,起到了“加強(qiáng)筋”的作用,可有效提升模塊在長度方向上的力學(xué)強(qiáng)度。較小的橫向內(nèi)肋設(shè)計有利于近壁面處氣泡的排除,避免氣膜的生成。采用Fluent軟件,優(yōu)化了部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸:將縱向內(nèi)肋結(jié)構(gòu)的截面尺寸定為高4mm,寬2 mm,將橫向內(nèi)肋結(jié)構(gòu)的截面尺寸定為高1mm,寬3 mm。對新型換熱結(jié)構(gòu)的過冷沸騰換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,探索了不同熱工水力條件下新型換熱結(jié)構(gòu)的溫度場分布。對比了新型換熱結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)ITER換熱結(jié)構(gòu)、Monoblock結(jié)構(gòu)的換熱能力,結(jié)果表明在相同的熱工水力條件條件下,新型換熱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱能力更為優(yōu)異。其次,首次采用一步焊接法制備了 W(Cu)/CuCrZr/316L復(fù)合模塊,制備工藝參數(shù)為:溫度900℃,保溫2h,壓力140MPa。隨后為了恢復(fù)CuCrZr合金的力學(xué)性能,對焊接后的W(Cu)/CuCrZr/316L復(fù)合模塊進(jìn)行了固溶(900℃,1h)+水淬+時效熱處理(475℃,2h)。超聲波無損探傷結(jié)果表明各連接面的擴(kuò)散質(zhì)量良好,無未焊合區(qū)域;SEM(Scanning Electron Microscope)觀測結(jié)果表明焊后的CuCrZr合金晶粒尺寸滿足ITER要求;脆性材料鎢及W/Cu界面處沒有微觀裂紋產(chǎn)生,證明水淬處理沒有對鎢及其焊接界面造成破壞。對焊后的CuCrZr/316L界面進(jìn)行了室溫拉伸測試,樣品斷裂在CuCrZr合金基體內(nèi)而非界面處;對CuCrZr/316L界面進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn),沖擊韌性值高達(dá)104 ± 2 J/cm~2。力學(xué)測試結(jié)果表明CuCrZr/316L連接處的界面強(qiáng)度較高。最后,采用本文設(shè)計的新型復(fù)合內(nèi)肋結(jié)構(gòu)及模塊制備工藝,成功制備了超蒸發(fā)強(qiáng)化換熱模塊兩件,每件模塊尺寸為116mmX36mmX20mm。利用電子束測試系統(tǒng)對制備的超蒸發(fā)強(qiáng)化換熱模塊進(jìn)行了高熱負(fù)荷測試,冷卻水入口溫度選為20℃,入口體積流量約為3.7 m~3/h,入口壓力約為0.3 MPa。高熱負(fù)荷測試結(jié)果表明:模塊成功經(jīng)受住了 80次10 MW/m~2+10次15 MW/m~2+10次20 MW/m~2的熱疲勞沖擊。實(shí)驗(yàn)時采用紅外測溫儀對模塊表面的溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,結(jié)果顯示在各疲勞周期內(nèi),模塊表面的峰值溫度示數(shù)穩(wěn)定,模塊表面無局部過熱現(xiàn)象產(chǎn)生;實(shí)驗(yàn)測得模塊在表面熱流密度分別為10 MW/m~2、15 MW/m~2和20 MW/m~2時,鎢表面的峰值溫度分別為370℃、592℃和780℃。實(shí)驗(yàn)后對模塊進(jìn)行宏觀觀測,發(fā)現(xiàn)鎢表面平整,鎢塊無熔化、燒蝕現(xiàn)象發(fā)生,證明新型模塊的換熱能力良好,新結(jié)構(gòu)的設(shè)計及制備工藝可行。通過模擬分析與實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果,可得到如下結(jié)論:縱向內(nèi)肋結(jié)構(gòu)+橫向內(nèi)肋結(jié)構(gòu)的復(fù)合設(shè)計可有效提升平板型偏濾器部件的強(qiáng)化換熱能力。采用一步熱等靜壓法制備的W(Cu)/CuCrZr/316L復(fù)合模塊界面質(zhì)量良好,制備后的模塊無論從材料的微觀組織或是模塊的綜合性能來看,都得到了顯著優(yōu)化。本文的研究結(jié)果可為 CFETR(China Fusion Engineering Test Reactor)以及DEMO(Demonstration Fusion Reactor)偏濾器的研發(fā)及制備提供技術(shù)支持。
【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】：2018
【分類號】：TL63
【圖文】：

１．３聚變堆偏濾器部件逡逑１．３．１偏濾器部件的作用逡逑偏濾器是托卡馬克裝置中的核心部件，典型的偏濾器部件如圖１．３所示，由逡逑內(nèi)耙板（ＩｎｎｅｒＴａｒｇｅｔ），外耙板（ＯｕｔｅｒＴａｒｇｅｔ）、穹頂（Ｄｏｍｅ）以及支撐結(jié)構(gòu)（Ｃａｓｓｅｔｔｅ逡逑Ｂｏｄｙ）四個部分組成，其主要作用是排除雜質(zhì)、熱量與氦灰＾２３１。托卡馬克運(yùn)行逡逑時，其內(nèi)部磁場位形為橢圓形截面，在橢圓截面的長軸邊界處，會形成一個或多逡逑個磁場零點(diǎn)（又稱Ｘ點(diǎn)）。經(jīng)過零點(diǎn)的磁力線所在的面被叫做最外層封閉磁面逡逑（ＬＣＦＳ，Ｌａｓｔ邋Ｃｌｏｓｅ邋Ｆｌｕｘ邋Ｓｕｒｆａｃｅ），最外層磁面與真空室內(nèi)壁之間的區(qū)域稱之為刮逡逑削層（ＳＯＵＳｃｒａｐｅ－ＯｆｆＬａｙｅｒ）％２６】。大部分的雜質(zhì)粒子（分子、原子及帶電粒子）逡逑３逡逑

２＾７）－．－－－－－＂＾．邐＾ｃ＼＼，逡逑｜邋°０邐２０邐４０邐６０邐８０邐１００邋°邋Ｉ逡逑圖１．２邋ＥＡＳＴ裝置１０１．２秒氋約束放電等離子體基本參數(shù)Ｉ２＂。逡逑１．３聚變堆偏濾器部件逡逑１．３．１偏濾器部件的作用逡逑偏濾器是托卡馬克裝置中的核心部件，典型的偏濾器部件如圖１．３所示，由逡逑內(nèi)耙板（ＩｎｎｅｒＴａｒｇｅｔ），外耙板（ＯｕｔｅｒＴａｒｇｅｔ）、穹頂（Ｄｏｍｅ）以及支撐結(jié)構(gòu)（Ｃａｓｓｅｔｔｅ逡逑Ｂｏｄｙ）四個部分組成，其主要作用是排除雜質(zhì)、熱量與氦灰＾２３１。托卡馬克運(yùn)行逡逑時，其內(nèi)部磁場位形為橢圓形截面，在橢圓截面的長軸邊界處，會形成一個或多逡逑個磁場零點(diǎn)（又稱Ｘ點(diǎn)）。經(jīng)過零點(diǎn)的磁力線所在的面被叫做最外層封閉磁面逡逑（ＬＣＦＳ，Ｌａｓｔ邋Ｃｌｏｓｅ邋Ｆｌｕｘ邋Ｓｕｒｆａｃｅ），最外層磁面與真空室內(nèi)壁之間的區(qū)域稱之為刮逡逑削層（ＳＯＵＳｃｒａｐｅ－ＯｆｆＬａｙｅｒ）％２６】。大部分的雜質(zhì)粒子（分子、原子及帶電粒子）逡逑３逡逑

范圍內(nèi)j⒊至己玫難誘剮約皫孕砸倉涼刂匾ｅ義洗幽Ｄ飩峁純�，当偏滤祈^考饈芨哂冢靛澹停祝恚駁娜攘髏芏確帳�，铜辶x蝦轄鸞俏ㄒ壞暮蜓「呷雀漢剎牧希郟常擔(dān)蕁Ｍ跡保唇卻枷凳壞陀冢擔(dān)板澹祝恚說膩義轄鶚粼匕湊盞菁醯拇渦蚪辛伺帕校蟻路攪諧雋爍呷雀漢剎牧閑榪悸塹模兜沐義弦蟆Ｍ賈謝疑嬌虻腦乇礱鞲彌衷孛揮新憔郾淶囊�，穻上|廈嫻氖皺義隙雜Ω迷廝創(chuàng)锏降囊蟮男蠔攀�。需特柄\得韉氖撬淙淮刻娜卻悸視繡義希福板澹祝恚耍某魷志蠖嗍且愿值男問劍值娜鵲悸式鱸冢常板澹祝恚俗簀義嫌

本文編號：2778793