CFETR(中國聚變工程試驗堆)是我國在參加ITER項目的同時,開展的關(guān)于磁約束聚變堆工程可行性的研究項目。它目標(biāo)為氚自持的前提下獲得50-200MW的聚變功率,目前正在進(jìn)行工程概念設(shè)計。它的大小半徑分別為5.7m和1.6m,等離子體電流為10MA。在CFTER設(shè)計中,偏濾器設(shè)計是關(guān)鍵的工作之一。偏濾器的作用：1)控制等離子體邊界2)排出熱量和氦灰3)減少主等離子雜質(zhì)的作用。由于偏濾器要接受來高粒子密度和高熱負(fù)荷,還有來自芯部等離子體和偏濾器區(qū)域等離子體的輻射,在這樣的極端熱流條件下下,偏濾器的熱工水力設(shè)計是 一個非常重要的課題。本文首先從核能的發(fā)展,磁約束核聚變裝置的研究現(xiàn)狀切入,引述到中國的工程聚變實驗堆CFETRo在了解CFETR托卡馬克裝置的基本參數(shù)后,進(jìn)而在物理設(shè)計得到的磁場位形基礎(chǔ)上開展工程設(shè)計。通過比較不同的磁場位形設(shè)計,選擇成熟的類ITER偏濾器位形來建立具有較寬范圍等離子體位形適應(yīng)性的偏濾器結(jié)構(gòu)。偏濾器的整體設(shè)計采用Cassette盒體式設(shè)計概念,第一壁靶板采用Monoblock結(jié)構(gòu)。在偏濾器的選材問題上根據(jù)不同模塊的材料要求選擇合適的不同的材料。 CFETR偏濾器的熱工水力設(shè)計分析是本文的重點。對于每一個CFETR偏濾器模塊采用的是一進(jìn)一出的冷卻管路布置方式,以環(huán)向上45°對偏濾器的60個模塊分組并聯(lián)組成一個回路模塊,再通過一條主水管給回路模塊供水。在每一個模塊中,靶板上的Monoblock結(jié)構(gòu)之間采用并聯(lián)冷卻,而在盒體支撐、Dome板、返流板、內(nèi)、外靶板之間采用的是串聯(lián)冷卻。 隨后,本文對所設(shè)計的偏濾器結(jié)構(gòu),進(jìn)行了熱工水力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析,以驗證設(shè)計是否滿足要求。首先通過偏濾器的壓降分析來調(diào)整偏濾器的結(jié)構(gòu),主要通過簡化管路復(fù)雜性,增大偏濾器的主管路口徑,圓滑結(jié)構(gòu)的尖銳處和冷卻管路彎道這三種,方式從結(jié)構(gòu)設(shè)計上降低壓降。其次是在特定的熱流邊界條件下,通過ANSYS熱工水力學(xué)模擬從以下幾個方面考查熱工水力設(shè)計的合理性：偏濾器結(jié)構(gòu)材料的溫度是否低于材料的許用運行溫度；偏濾器上的臨界熱流安全因子是否大于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)1.4；整個冷卻管道的壓降是否在參考值以內(nèi)；偏濾器運行時冷卻水的狀態(tài)是否為假定的單向流狀態(tài)。通過這幾個方面對圓形光管,加比率為4的擾動片和比率為2的擾動片管這三種,偏濾器靶板冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估分析,確定出入口冷卻水流量的合理窗口范圍。并考慮到偏濾器的冷卻效率問題,分析確定加擾動比率為2的擾動片的冷卻結(jié)構(gòu)最佳。它的冷卻水入口流量窗口為5.82kg/s至12.75kg/s。在最小的流量條件下,它消耗的最小泵機(jī)功率為1.9KW。最后,以熱工水力學(xué)分析得出的最佳結(jié)構(gòu)作為應(yīng)力分析的結(jié)構(gòu),在保守的彈性材料假定下,通過它在不同入口流量條件下的Von-mises應(yīng)力與3倍許用應(yīng)力之間的比較,得出冷卻水的最小入口流量為5.18kg/s。所以在上述的水力學(xué)入口參數(shù)條件下,加比率為2的擾動片的偏濾器冷卻結(jié)構(gòu)是能夠滿足材料應(yīng)力要求的。 本文最后分析討論了上述偏濾器結(jié)構(gòu)在高熱載荷條件下的結(jié)構(gòu)性能。放寬對壓降的要求,增加偏濾器冷卻水主管路的壁厚,并考慮材料塑性變形,模擬分析得出在高熱載荷的情況下上述的偏濾器在各種不同熱載荷條件下的運行壽命和極限熱流密度。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TL631.24
【部分圖文】：

圖2.1 CFETR偏濾器線圈位置及偏濾器位形：類ITER、雪花和超級X超級X偏濾器是通過特定的偏濾器磁場位形，使得X點到偏濾器勒1板的距離很長，同吋增加了偏濾器區(qū)域的空間及偏濾器祀板的表面積，從而使來自于等離子體區(qū)域的高能粒子在偏濾器區(qū)域有更多的機(jī)會_相對低溫的中性粒子碰撞將能it均勻福射至偏濾器表而，進(jìn)而使偏濾器表面的熱負(fù)荷有效降低且均勻化。雪花偏濾器通過二級零點和一級零點來形成一個六極形的偏濾器磁場位形，使偏濾器區(qū)域的磁力線擴(kuò)張，從而使祀板接受高熱流的表面積增加，以緩和熱負(fù)荷，其他裝置如TCV[13]和Dm-D[14]的雪花偏濾器設(shè)計和實驗表明，IE板熱負(fù)荷降低因子可大于4。由于超級X偏濾器的結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性，CFETR偏濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計中暫吋沒有考慮，而雪花偏濾器的二級零點要求更高的電流來形成磁場位形，然而由千CFETR是一個超導(dǎo)托卡馬克，它的線圈距離主等離子很遠(yuǎn)，很難形成理想的雪花偏濾器位形，達(dá)不到預(yù)期的磁力線膨脹系數(shù)及降低熱負(fù)荷的效梁。所以CFETR采用了和ITER實驗堆相似的類ITER偏濾器位形，這種位形通過前人的研究已經(jīng)積累了大量的研究成果，可以為CFETR的偏濾器設(shè)計提供基

ITER偏濾器 CFETR偏濾器圖2. 2 ITERffi濾器ijCFETR類ITEIl偏濾器對比與這兩塊勒板相交在祀板的K部，/1丨此處承受農(nóng)似欠熱錢荷，所以/1:這m的冷卻結(jié)構(gòu)也做了特殊的處理，將在「章中詳細(xì)闡述。在垂直紀(jì)板的屮間，有-塊隆起的Dome板州以實現(xiàn)相對封閉式的偏濾器位形，減少偏濾器區(qū)域的雜質(zhì)向主等離子反向擴(kuò)散。fl: Dome板和垂直勒1板之叫設(shè)置有兩塊返流板以增大V型區(qū)域內(nèi)的氣體壓力有利于綿射偏濾器的獲得。返流板和垂直祀板之間留有縫隙供菜機(jī)抽走雜質(zhì)粒子。在內(nèi)外垂直祀板的上方與包層接壤處有障板(Baffle)保護(hù)偏濾器的上部免受高熱流的侵燭。對于各個部件的布局也有-定的空間要求：1)耍盡量使勒板與LCFS磁力線有較小的交免，以擴(kuò)大紀(jì)板承受熱負(fù)荷的而積，降低單位而積上的熱負(fù)荷；2)在有限的空M屮，要盡量擴(kuò)大X點與祀板上的打丨點之丨〗|!的距離，增j]l丨高能粒子與偏濾器區(qū)域屮中性粒子的碰撞，使高能粒子的能丨ri：盡可能多的福射t彳(，改善祀&打m點處的極端情況；3)要考慮到偏濾器.?其他部件之1K1的幾何干涉問題，留出足夠的空fHj安裝屏蔽色層和接口部件4)通過Dome板要形成_ ?個相對封閉的偏濾器區(qū)域

最多的是液態(tài)金屬Pb — 17Li增殖劑。{H是其本身的導(dǎo)電性和境造成的MHD效應(yīng)還未能研究清楚，所以這種冷卻劑還存在21-25]。氦氣的優(yōu)點在于其不容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相變不用考慮單相流和沸騰傳熱問題，與液態(tài)金屬相比沒有M引起的密度變化導(dǎo)致的重力改變，而且氦冷■要的壓強(qiáng)比水冷700?800°C比水冷高，其發(fā)電效率比水冷高。然而其相對較低成熟技術(shù)研究制約了其發(fā)展[26-31]。CFETR偏濾器冷卻系統(tǒng)冷卻技術(shù)為原則，其.:k要介質(zhì)為水，就是使帶有?定壓力和流器的各模塊，達(dá)到及吋將所承受的高熱負(fù)荷移出偏濾器，同時的溫度在許用范圍之內(nèi)。內(nèi)外垂直祀板受到由主等離子體逃逸出的高能粒子的撞擊，受的熱載荷是等離子的福射熱,所以垂直祀板上的熱載荷是最的熱載荷[32](如閣2.3)分布上也是如此的。冷卻水應(yīng)該按的順序冷卻，所以冷卻水流過CFETR偏濾器各模塊的順序依、內(nèi)祀板、盒；體、內(nèi)返流板、Dome、外返流板和盒體[33]。CF模塊的冷卻流程如閱2. 4所示，
【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 劉秀;CFETR偏濾器靶板概念設(shè)計與分析[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

本文編號：2873663