【摘要】：當(dāng)今能源問(wèn)題越來(lái)越突出，傳統(tǒng)的煤、石油、天然氣能源匱乏以及使用帶來(lái)的生態(tài)破壞、溫室氣體、空氣污染等是人類當(dāng)前面臨的困難之一。高效、清潔、環(huán)保的能源形式替代傳統(tǒng)化石能源變得更加緊迫。核聚變所需的燃料由于自然界中非常豐富，其產(chǎn)物放射性低，幾乎不產(chǎn)生對(duì)環(huán)境具有破壞的物質(zhì)。因此，人們認(rèn)為核聚變能清潔、高效、取之不近，它是最有效解決能源問(wèn)題的途徑。 在示范聚變反應(yīng)堆（Demonstration Power Plant，DEMO）中，實(shí)現(xiàn)低發(fā)電成本與能量轉(zhuǎn)換部件的包層模塊具有高溫環(huán)境適應(yīng)性，氦冷固態(tài)陶瓷氚增殖劑鐵素體/馬氏體鋼（He-Cooled/Solid Ceramic/Be/F/M Steel，HCSB）是眾多冷卻方案和包層設(shè)計(jì)中被各國(guó)普遍采用的方式。本文以包層第一壁為研究對(duì)象，通過(guò)多物理耦合數(shù)值模擬，針對(duì)熱環(huán)境下Be/Eurofer97層狀界面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、第一壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)等科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行分析和研究。 研究包層模塊第一壁熱環(huán)境下Be/Eurofer97鋼層狀界面及整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特征，得到界面周圍應(yīng)力達(dá)到最大，而界面處出現(xiàn)應(yīng)力下降很快的現(xiàn)象，及中間擴(kuò)散層厚度對(duì)應(yīng)力及溫度分布的影響規(guī)律。然后，基于ANSYS Workbench中的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX和計(jì)算靜力學(xué)程序，通過(guò)單向熱流固耦合數(shù)值模擬分析得到設(shè)計(jì)的第一壁應(yīng)力分布和相應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)域，這里同時(shí)考慮到第一壁中防護(hù)層和熱沉結(jié)構(gòu)各自的許用要求。 研究防護(hù)層厚度、流道結(jié)構(gòu)及第一壁結(jié)構(gòu)材料前側(cè)厚度三種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)第一壁溫度和應(yīng)力分布及各自最大值的影響，科學(xué)合理考慮這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)第一壁的整體影響，提出第一壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明，優(yōu)化后的第一壁可以有效實(shí)現(xiàn)降低第一壁中防護(hù)層和熱沉結(jié)構(gòu)各自危險(xiǎn)部位的最高溫度和最大應(yīng)力目的。 本文針對(duì)優(yōu)化后的第一壁，進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，得到了第一壁的各階固有頻率和振型，為有效預(yù)防實(shí)際工況下共振造成第一壁結(jié)構(gòu)的疲勞、碰撞、變形等提供科學(xué)依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，采用雙向流固耦合的方法，進(jìn)一步分析內(nèi)部具有高速流體流動(dòng)時(shí)，第一壁的振動(dòng)情況。這些從工程和科學(xué)角度，為后續(xù)深入的包層模塊結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析奠定分析基礎(chǔ)。 本文對(duì)聚變堆包層模塊第一壁的設(shè)計(jì)、熱強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及振動(dòng)分析開(kāi)展的工作，對(duì)增強(qiáng)聚變環(huán)境下第一壁整體的機(jī)械性能和可靠性具有一定的參考意義。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TL64
【圖文】：

示意圖如圖 1-1 所示）是核聚變研究中非常重要的國(guó)際項(xiàng)目，它主要是為了驗(yàn)證聚變反應(yīng)堆的工程可行性而建造的熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆。目前，中國(guó)、俄羅斯、歐盟、韓國(guó)、美國(guó)、印度和日本是參于 ITER 計(jì)劃的七個(gè)成員國(guó)，位于法國(guó)境內(nèi)的卡達(dá)拉舍(Cadalache)被作為建造 ITER 的地方。

圖 1-2 TBM 與 ITER 和示范堆的關(guān)系連接 ITER 與 DEMO 的重要部件是 TBM。DEMO 包層模塊與 ITER 實(shí)驗(yàn)包設(shè)計(jì)上采取了“act-like”的策略，通俗解釋為“神似而形不似”[6]。2) DEMO 固態(tài)增殖劑包層模塊概念設(shè)計(jì)方案由于示范堆包層概念設(shè)計(jì)當(dāng)前還在研究階段，根據(jù)國(guó)際聚變研究與技術(shù)的發(fā)正在發(fā)展的 DEMO 包層類型中，中國(guó) DEMO 聚變堆選擇氦冷卻、固態(tài)鋰陶、低活性鐵素體馬氏體鋼（HCSB）作為包層概念的一種。選擇 HCSB 作為 D模塊的設(shè)計(jì)概念，最基本的原因是，ITER 的實(shí)驗(yàn)包層模塊測(cè)試也要采用 H模塊概念，到目前為止，具有非常廣泛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。由于核聚變反應(yīng)需要氚，其通過(guò)鋰與中子反應(yīng)生成，氚增值率（Tritium Breio，簡(jiǎn)稱 TBR）是衡量產(chǎn)氚情況的參數(shù)，為了保證氚滿足核聚變運(yùn)行的需求增殖區(qū)，氚增殖劑通常是含鋰的化合物或單質(zhì)，與中子反應(yīng)生成氚。為了給

HCSB-DEMO三維結(jié)構(gòu)示意圖

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本文編號(hào)：2807096