能源與環(huán)境問題是影響人類社會發(fā)展的關鍵,聚變能作為解決能源問題的可能途徑之一,具有燃料供應充足、熱值高、放射性低、環(huán)境友好等優(yōu)點,聚變能因其清潔性、安全性及可再生性受到廣泛關注。 CFETR是參考國內(nèi)現(xiàn)有托卡馬克和ITER技術基礎設計和建造的一個聚變工程實驗堆。它介于ITER與聚變示范堆之間,旨在基于ITER等離子體物理和聚變技術基礎,驗證聚變堆的工程實現(xiàn)具體技術,是聚變能走向商用的關鍵一步,對中國聚變能商業(yè)化應用具有重大意義。 包層是聚變能走向?qū)嶋H應用的核心載體,其主要功能：氚增殖,維持聚變堆反應所需的氚,實現(xiàn)氚自持；能量增殖,將聚變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為可利用的熱能或者電能等；輻射屏蔽,減少放射性物質(zhì)的擴散,保護磁體材料等,包層性能是聚變堆設計的重要依據(jù),其系統(tǒng)安全性是未來聚變堆能否可靠運行的決定性因素之一。 本文CFETR氦冷固態(tài)包層為研究對象,基于計算流體力學理論,結(jié)合有限元分析、流固耦合分析方法,采用ANSYS CFX和ANSYS Workbench軟件中的Static Structure模塊對CFETR氦冷固態(tài)包層第一壁和增殖單元進行了流固耦合分析及應力分析,并根據(jù)模擬結(jié)果進行了第一壁及增殖單元的優(yōu)化設計及驗證分析。 首先,根據(jù)計算流體力學、有限元方法及耦合原理建立了數(shù)學模型；然后,結(jié)合CFETR氦冷固態(tài)包層功能及其設計特點,運用CATIA建模軟件建立了符合實際的分析模型；其次,運用ANSYS CFX對增殖包層冷卻結(jié)構(gòu)進行流固耦合分析得到了第一壁、增殖單元的溫度分布、冷卻劑的流場分布規(guī)律；最后,使用ANSYS Workbench軟件,將前面得到的結(jié)構(gòu)材料的溫度分布作為邊界條件對冷卻結(jié)構(gòu)進行應力分析,得到包層冷卻結(jié)構(gòu)的應力分布。 基于分析數(shù)值模擬結(jié)果,結(jié)合CFETR氦冷固態(tài)包層設計要求和已有的經(jīng)驗數(shù)據(jù),優(yōu)化設計了第一壁及增殖單元且驗證了優(yōu)化方案的合理性、可靠性。為CFETR氦冷固態(tài)包層優(yōu)化設計提供了數(shù)據(jù)支持及參考,對CFETR氦冷固態(tài)包層工程設計的進一步完善具有重要意義和應用價值。
【學位單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TL64
【部分圖文】：

磁約束托克馬克裝置圖

-氦冷陶瓷包層設計目的主要是驗證中國示范聚變堆（DEMO)的氖增殖技術。氦冷固態(tài)包層的設計要求如下：包層模塊的整體結(jié)構(gòu)、技術要求、安全分析等必須滿足CFETR的總體要求；包層系統(tǒng)設計合理可行并達到系統(tǒng)氣增殖要求；冷卻劑的選擇及冷卻系統(tǒng)的設計能實現(xiàn)高品質(zhì)熱量的獲得和利用；包層冷卻結(jié)構(gòu)設計要能及時移除表面熱流和體核熱，使整個包層系統(tǒng)的溫度和應力控制在允許的限度內(nèi)；包層設計過程中所用到的設計工具，包括中子學計算、電磁計算、熱工水力計算及結(jié)構(gòu)計算的數(shù)據(jù)結(jié)果均需反復校驗。2.1包層系統(tǒng)描述HCPB包層系統(tǒng)主要由增殖包層（增殖氖，沉積熱等）和屏蔽包層（屏蔽磁體上的快中子通量及核熱等）兩部分組成；其他輔助系統(tǒng)包括包層支撐系統(tǒng)；氣提取系統(tǒng)（移除氣，控制和處理）；氦冷系統(tǒng)(熱轉(zhuǎn)移，熱交換)；冷卻劑凈化系統(tǒng)（氦凈化）；增殖包層遠程控制系統(tǒng)（遠程控制關聯(lián)到整個包層系統(tǒng)）等。包層在真空室內(nèi)的位置如圖2.1所示。增殖包層通過柔性支撐和一系列鍵和鍵槽固定在支撐背板上，支撐背板通過螺栓安裝于屏蔽包層，屏蔽包層直接安裝在真空室內(nèi)壁。

面一周布置了 10個模塊，其中1-5號為Inboard模塊、6-10為Outboard模塊，1-5號模塊環(huán)向32塊，6-10號模塊環(huán)向56塊，總計440塊包層模塊，如圖2.2所示。^^1 }圖2.2包層模塊總體分布圖Figure2.2 Integration of general blanket module2.2包層模塊設計如圖2.3，HCPB包層模塊由U形第一壁、蓋板、背板、格板、增殖單元等結(jié)構(gòu)組成；其設計特點如下：第一壁、上下蓋板、背板構(gòu)成封閉的包層盒體空間，第一壁是包層結(jié)構(gòu)直接面對等離子體的部件，多個背板組成不同的分流腔體，包層盒體內(nèi)部由環(huán)徑向格板構(gòu)成了增殖單元空間，陶瓷增殖劑和中子倍增劑以小球的形式包含在該空間內(nèi)，環(huán)徑向格板煌接在包層盒體的前壁和側(cè)壁；包層盒體結(jié)構(gòu)由8MPa的氦氣冷卻，入口溫度為30(rC,出口溫度為50(rC;增殖區(qū)和鈹區(qū)產(chǎn)生的氣由氖提取系統(tǒng)提取，提氣氣體為He+0.1%H2
【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 劉立強;低溫技術在大型超導磁體中的應用[J];低溫工程;2002年05期

2 趙偉;朱遠東;;人造太陽——人類熱核聚變項目[J];國外科技動態(tài);2006年04期

3 林波;楊維才;董鮮峰;遲永剛;劉梅;曾大鵬;沈軍;;聚變用釩及釩基合金性能的研究現(xiàn)狀及進展[J];材料導報;2012年S2期

4 ;Improvement of hydrogen isotope exchange reactions on Li_4SiO_4 ceramic pebble by catalytic metals[J];Chinese Chemical Letters;2012年08期

5 翟建華;計算流體力學(CFD)的通用軟件[J];河北科技大學學報;2005年02期

6 李林森;王侃;宋小明;;CFD在核能系統(tǒng)分析中應用的最新進展[J];核動力工程;2009年S1期

7 張國書;馮開明;;中國HCSB TBM模塊的優(yōu)化與設計進展[J];核動力工程;2010年S2期

8 馮開明;;ITER實驗包層計劃綜述[J];核聚變與等離子體物理;2006年03期

9 肖成建;陳曉軍;康春梅;高小玲;劉浚;古梅;羅陽明;汪小琳;;正硅酸鋰陶瓷小球離線釋氚實驗研究[J];核聚變與等離子體物理;2011年03期

10 柏云清;陳紅麗;劉松林;宋勇;曾勤;黃群英;吳宜燦;;聚變堆增殖包層概念特征比較研究[J];核科學與工程;2008年03期

本文編號：2857341