【摘要】：隨著聚變科學與技術的發(fā)展,各大托卡馬克裝置中的等離子體參數(shù)正一步一步提高,但是在通往商用聚變堆的道路上仍然有很多挑戰(zhàn)。對于下一代托卡馬克裝置和未來聚變實驗堆而言,長脈沖高約束運行模式被認為是獲得高聚變能量增益的首選模式。在該模式運行下,由于磁流體不穩(wěn)定性等,會周期性的出現(xiàn)大量粒子和能量進入刮削層,然后這些粒子和能量沿著磁力線輸運到偏濾器區(qū)域,轟擊到靶板上,形成極高的瞬態(tài)熱負荷,對偏濾器造成損傷。偏濾器作為托卡馬克裝置中最重要的內(nèi)部部件之一,在放電過程中不僅起著控制雜質(zhì)的作用,而且是聚變反應中重要的能量和粒子排出通道。為了提高偏濾器的性能使得其滿足高約束運行模式中排熱或排出粒子的需求以及預研ITER偏濾器的性能和服役行為,EAST于2014年將上偏濾器升級成為類ITER結構的鎢銅偏濾器。在高參數(shù)物理實驗之前,開展偏濾器在高參數(shù)物理實驗中的損傷與壽命研究是十分必要的內(nèi)容,其結果可以為偏濾器的設計和制定偏濾器在聚變裝置和反應堆服役中的維護方案提供指導意見,同時可以更好的從工程角度協(xié)助物理實驗的進行和提高裝置的運行效率。本論文基于EAST和世界上各大聚變裝置在高約束模式實驗中統(tǒng)計的沉積在偏濾器靶板上的熱負荷特征,詳細研究了 EAST鎢銅偏濾器靶板在高約束模式運行中的溫度和結構響應行為,并構建了可以由診斷得到的偏濾器靶板上的熱負荷特征參數(shù)直接對應到靶板疲勞損傷的模型,從而可以實現(xiàn)對服役中偏濾器靶板的疲勞損傷進行實時評估和監(jiān)測,判斷其是否會發(fā)生疲勞失效。文中首先分析了偏濾器靶板在高約束模中由邊界局域模(Edge localized modes)誘發(fā)的瞬態(tài)熱負荷作用時的響應行為。為了更加直觀的描述靶板在ELMs瞬態(tài)熱負荷作用下的響應行為,本文建立了包含溫度演化歷程、熱穿透深度和疲勞裂紋萌生壽命三個指標的體系來描述ELMs作用期間的靶板的溫度宏觀累積效應、表面層微觀溫度響應和微觀結構響應,并分析了三個指標的主要影響因素以及它們與瞬態(tài)熱負荷特征參數(shù)之間的關系。然后進一步開展了鎢銅偏濾器靶板在長脈沖高約束運行模式中的響應行為研究。文中定義了完整放電過程中打擊點處的熱負荷隨時間的演化歷程,經(jīng)過分析和討論從中提取出了影響偏濾器靶板響應行為的穩(wěn)態(tài)熱負荷以及瞬態(tài)熱負荷的峰值、上升時間、頻率四個特征參數(shù);接著根據(jù)偏濾器靶板的Monoblock結構在熱負荷作用下的響應特性以及其結構特點,把Monoblock結構劃分為四個關鍵部位,分別構建了它們在不同特征參數(shù)的熱負荷下對應的溫度與結構響應模型。最后,在上述分析結果的基礎上,根據(jù)鎢銅偏濾器靶板的面向等離子體面和鉻鋯銅水管的材料和功能特性,結合雨流計數(shù)法、Neuber法則和Miner損傷線性累積法則分別構建了與之對應的疲勞損傷和壽命預測模型。通過分析中構建的聚變堆疲勞壽命評判方法,能夠合理的預測偏濾器靶板在服役中的疲勞損傷狀況,然后針對性的制定維護方案。
[Abstract]:With the development of fusion science and technology, plasma parameters in major Tokamak devices are being improved step by step, but there are still many challenges on the way to commercial fusion reactors. In this mode, due to magnetohydrodynamic instability, a large number of particles and energy will appear periodically into the scraping layer, and then these particles and energy will be transported along the magnetic field line to the divertor area, bombarding the target plate, forming a very high transient heat load, causing damage to the divertor. The divertor as a Tokama. One of the most important internal components of the device, which not only controls impurities during discharge, but also is an important channel for energy and particle discharge in fusion reactions. In order to improve the performance of the divertor, the divertor can meet the requirements of discharging heat or particles in highly constrained operation mode, and the performance and service of the ITER divertor are studied in advance. EAST upgraded the upper divertor to an ITER-like tungsten-copper divertor in 2014. Before high-parameter physics experiments, it is necessary to study the damage and life of the divertor in high-parameter physics experiments. The results can be used to design the divertor and formulate the dimension of the divertor in fusion and reactor service. Based on the thermal load characteristics of EAST and other fusion devices deposited on the divertor target plate in the high confinement mode experiments, this paper studies the thermal load characteristics of EAST tungsten-copper divertor target plate in detail. The response behavior of temperature and structure under high restraint mode is studied. A model is constructed in which the characteristic parameters of thermal load on the divertor target can be directly corresponded to the fatigue damage of the target. Thus, the fatigue damage of the divertor target in service can be evaluated and monitored in real time and the fatigue loss can be judged. The response behavior of the divertor target plate under transient thermal loading induced by Edge localized modes in high confinement modes is analyzed. In order to describe the response behavior of the target plate under ELMs transient thermal loading more intuitively, the temperature evolution history, thermal penetration depth and fatigue cracks are established. The system of three indices of initiation life describes the macro-cumulative effect of temperature, the micro-temperature response and the micro-structure response of the surface layer of the target plate during ELMs. The main influencing factors of the three indices and the relationship between them and the characteristic parameters of transient thermal load are analyzed. Then the target plate length of tungsten-copper divertor is further developed. In this paper, the evolution process of heat load at the strike point during complete discharge is defined, and the steady-state heat load, the peak value of transient heat load, the rise time and the frequency are extracted from the analysis and discussion. According to the response characteristics of Monoblock structure of divertor target under thermal load and its structural characteristics, the Monoblock structure is divided into four key parts, and their corresponding temperature and structural response models under different characteristic parameters of thermal load are constructed. Finally, based on the above analysis results, the tungsten-copper divertor structure is divided into four key parts. Fatigue damage and life prediction models of the target plate for plasma surface and chromium-zirconium-copper pipe were constructed by rain-flow counting method, Neuber's law and Miner's damage linear cumulative law, respectively. The fatigue damage condition of the board in service is then formulated.
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TL631.24

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 嚴建成;高慶弟;嚴龍文;王明旭;鄧柏權;張斧;張年滿;冉紅;程發(fā)銀;唐益武;陳小平;;偏濾器物理設計與實驗研究[J];中國核科技報告;2007年01期

2 鄧柏權,彭利林,嚴建成;提高偏濾器排灰效率和減少氚投料量的探討[J];核聚變與等離子體物理;2000年03期

3 鄧柏權 ,嚴建成 ,黃錦華;雙群模型在偏濾器材料濺射研究中的應用[J];中國核科技報告;2002年00期

4 吳繼紅 ,張斧 ,嚴建成;偏濾器小試樣材料表面溫度測量[J];中國核科技報告;2002年00期

5 鄧柏權,嚴建成,黃錦華;雙群模型在偏濾器材料濺射研究中的應用[J];核聚變與等離子體物理;2002年03期

6 吳繼紅,張斧,許增裕,嚴建成;高熱負荷下偏濾器材料的溫度測量[J];核聚變與等離子體物理;2003年01期

7 吳繼紅,張斧,許增裕,嚴建成;偏濾器高熱負荷材料研究[J];核科學與工程;2003年02期

8 鄧柏權,彭利林,嚴建成,黃錦華;偏濾器材料濺射過程的數(shù)值研究(英文)[J];中國核科技報告;2003年01期

9 洪文玉;嚴龍文;程均;趙開君;錢俊;王明旭;;HL-2A裝置送氣和加料的脫靶特性[J];核聚變與等離子體物理;2008年04期

10 郭雙全;馮云彪;燕青芝;黎健;;偏濾器中鎢與異種材料的連接技術研究進展[J];焊接技術;2010年09期

相關會議論文 前10條

1 歐靖;;數(shù)值分析東方超環(huán)的偏濾器運行空間[A];第十五屆全國等離子體科學技術會議會議摘要集[C];2011年

2 歐靖;;模擬分析在偏濾器脫靶狀態(tài)下的高馬赫數(shù)流[A];第十四屆全國等離子體科學技術會議暨第五屆中國電推進技術學術研討會會議摘要集[C];2009年

3 彭海鷗;陳銀華;時桂芬;鄭聚高;;Tokamak邊緣區(qū)磁場混沌結構的研究[A];第十五屆全國等離子體科學技術會議會議摘要集[C];2011年

4 桑超峰;孫繼忠;戴舒宇;徐倩;王德真;;托卡馬克偏濾器瓦片縫隙等離子體及燃料滯留模擬研究[A];第十六屆全國等離子體科學技術會議暨第一屆全國等離子體醫(yī)學研討會會議摘要集[C];2013年

5 李敏;周宇璐;張寶玲;侯氫;;氦輻照鎢表面行為的分子動力學模擬研究[A];第五屆反應堆物理與核材料學術研討會、第二屆核能軟件自主化研討會會議摘要集[C];2011年

6 王德真;桑超峰;孫繼忠;;托卡馬克偏濾器等離子體波動現(xiàn)象及其對壁材料侵蝕效應[A];第十四屆全國等離子體科學技術會議暨第五屆中國電推進技術學術研討會會議摘要集[C];2009年

7 韓曉玉;余德良;段旭如;;HL-2A多道可見光譜系統(tǒng)測量的初步結果[A];第十三屆全國等離子體科學技術會議論文集[C];2007年

8 李雪泓;李偉;盧杰;易萍;李棟;楊青巍;;HL-2A裝置偏濾器靶板熱沉積功率的測量[A];第十三屆全國等離子體科學技術會議論文集[C];2007年

9 趙偉;鐘光武;;用于ITER偏濾器等離子體診斷的朗繆爾探針熱分析[A];中國核科學技術進展報告（第二卷）——中國核學會2011年學術年會論文集第7冊（核電子學與核探測技術分卷、脈沖功率技術及其應用分卷、核聚變與等離子體物理分卷）[C];2011年

10 陳培銘;葉民友;彭學兵;卯鑫;宋云濤;萬元熙;;CFETR偏濾器第一壁模塊熱工水力學初步分析[A];第八屆華東三省一市真空學術交流會論文集[C];2013年

相關博士學位論文 前6條

1 黃艷;邊界局域模熱負荷對鎢偏濾器靶板侵蝕的模擬研究[D];大連理工大學;2016年

2 錢新元;鎢銅偏濾器靶板疲勞損傷與壽命研究[D];中國科學技術大學;2017年

3 桑超峰;偏濾器等離子體鞘層及氫同位素在器壁材料中的滯留模擬研究[D];大連理工大學;2012年

4 戴舒宇;偏濾器靶板的侵蝕及雜質(zhì)輸運沉積的模擬研究[D];大連理工大學;2014年

5 韓樂;偏濾器水冷鎢銅模塊傳熱與熱應力問題研究[D];南京航空航天大學;2015年

6 王東升;EAST偏濾器物理及雜質(zhì)注入行為研究[D];中國科學技術大學;2012年

相關碩士學位論文 前10條

1 吳昊聲;基于SOLPS的CFETR雪花偏濾器的數(shù)值模擬[D];中國科學技術大學;2015年

2 楊濤;托卡馬克中偏濾器材料的濺射行為研究[D];南華大學;2015年

3 劉秀;CFETR偏濾器靶板概念設計與分析[D];中國科學技術大學;2016年

4 張倫;鎢偏濾器靶板粗糙表面在氘離子轟擊下的形貌變化模擬研究[D];大連理工大學;2016年

5 鄭志佳;邊界等離子體輸運模式的模擬研究[D];大連理工大學;2016年

6 楊世嚴;基于一維和三維耦合模型的偏濾器烘烤過程熱應力分析[D];大連理工大學;2016年

7 李永亮;偏濾器粗糙靶板對塵埃逃逸能力的影響[D];大連理工大學;2012年

8 劉楠;水冷鎢銅偏濾器臨界熱流數(shù)值模擬方法研究[D];南京航空航天大學;2013年

9 吳美薇;偏濾器靶板附近等離子體鞘層特性的模擬研究[D];大連理工大學;2012年

10 陳培銘;CFETR偏濾器熱工水力設計與分析優(yōu)化[D];中國科學技術大學;2015年

，

本文編號：2250109