聚变堆用CLAM钢管件冷推弯成形数值模拟及试验研究

为解决CLAM钢的冷成形困难的问题,争取使其早日服役于核聚变环境,利用有限元数值模拟软件对CLAM钢管材的室温冷推弯过程进行了数值模拟,对影响弯头冷成形的工艺参数进行了优化以及对冷成形效果进行预报,由此确定了相对优化的工艺参数;并使用摩擦因子约为0.07的表面涂层对管坯进行润滑处理,结合有限元模拟结果进行了实际冷成形。研究表明,在厚度分布以及表面质量等方面,实验结果和模拟结果吻合,实际成形效果优良。因此,数值模拟的优化计算可以较好地指导聚变堆用难变形材料CLAM钢弯头的室温冷成形。     

聚变堆用难变形CLAM钢三通成形模拟及试验研究

利用有限元软件对聚变堆用CLAM钢三通管件的内高压整体成形工艺进行了数值模拟,研究了压力加载路径及摩擦条件关键工艺参数对支管高度以及壁厚分布的影响,从而确定了CLAM钢三通管件内高压成形的优化工艺参数组合。使用满足优化摩擦系数的表面涂层对CLAM钢管坯进行润滑处理,并根据优化结果对CLAM钢管材进行了内高压成形试验。实际成形的三通管件在几何尺寸及厚度分布方面,实验结果和模拟结果吻合。研究结果表明,通过有限元数值模拟可准确预测难变形材料CLAM钢三通的复杂冷成形,并确定工艺参数;通过确定的工艺参数可制备出几何尺寸及厚度分布均满足要求的高质量聚变堆用三通管件。     

500℃下中国低活化马氏体钢电子辐照缺陷行为的研究

利用超高压透射电子显微镜在500℃对两种不同成分的CLAM钢进行了小剂量的辐照实验,研究CLAM钢的辐照效应.发现在高能电子的辐照下,1号CLAM钢的微观结构发生了变化,产生了大量的位错环,研究了位错环形核和长大的规律;2号CLAM钢的微观结构也发生了变化,先产生位错环,而后形成了位错网络.     

CLAM用作超临界水冷包层第一壁结构材料的热与应力性能分析

在聚变堆超临界水冷固态增殖包层第一壁的运行工况下,采用数值方法对采用中国低活化马氏体钢(CLAM)作为结构材料的第一壁进行单向流固耦合分析,为超临界水冷实验包层模块(TBM)的热工设计提供借鉴。分别采用CLAM和F82H作为第一壁结构材料,对比温度场和应力场,并考察不同冷却管道形状(矩形和圆形)、不同冷却管道直径和最小壁厚对第一壁温度场和应力场的影响。结果表明:CLAM的最高温度及最大应力均高于F82H的;采用CLAM作为结构材料时,矩形冷却管道的角域的换热得到了增强,但同时也造成了应力集中,第一壁设计时应综合权衡;增大冷却管道直径和减小最小壁厚均有利于换热。     

CLAM-316L TIG焊接接头显微组织特征分析

采用309焊丝对中国低活化马氏体(CLAM)钢和316L不锈钢进行TIG焊,并利用光学显微镜、扫描电镜和维氏硬度仪分析对接接头的微观组织和显微硬度分布。结果表明,CLAM-316L TIG焊接头按照显微组织特征可分为六个区域,即CLAM钢母材、CLAM钢热影响区、CLAM钢熔合区、焊缝金属、316L热影响区、316L母材。CLAM钢熔合区显微组织为淬火马氏体;焊缝金属区为粗大的胞状枝晶组织;316L热影响区和母材均为奥氏体组织,热影响区晶粒尺寸有明显长大。焊态接头整体硬度分布均匀,只有CLAM钢熔合区硬度较高。     

软化热处理与预变形对CLAM钢塑性的影响分析

CLAM钢是中国ITER液态测试包层模块的首选结构材料,其塑性是影响测试包层冷却流道加工制造的关键因素之一。本文对CLAM钢进行退火软化热处理,测试其拉伸性能,并研究经过5%、10%和15%预变形,均分别在600℃、700℃和800℃回火30 min后,CLAM钢塑性的回复情况,以获得预变形量和回火工艺与CLAM钢塑性之间的关系,为制备包层模块及其冷却流道提供材料技术支持。研究表明:退火态CLAM钢塑性较正常热处理态CLAM钢有较大提高,在预变形和回火过程中,其塑性随预变形量的增大而下降,随回火温度的上升而提高。     

慢正电子束研究质子辐照CLAM钢产生的缺陷及其退火行为

为了研究中国低活化马氏体CLAM钢的辐照损伤机理,本文利用慢正电子技术研究了质子辐照CLAM钢时所产生的缺陷及其退火回复行为,发现辐照在材料中产生空位团数密度随质子注量增加而增多,而其尺度增大并不明显.辐照仅产生原子尺度的空位和空位团,400℃退火可以使缺陷很好地消除.此外分析了硅对CLAM钢辐照性能的影响,实验上没有观察到硅的添加抑制了质子辐照缺陷的产生.     

超临界水冷固态实验包层中子学与热工水力特性研究

基于国际热核聚变实验堆(ITER)实验包层方案,提出了一个超临界水冷固态实验包层概念设计方案。设计采用Be作为中子倍增剂,Li4SiO4作为氚增殖剂,CLAM钢作为结构材料。包层第一壁采用多层盘道设计以提高第一壁出口温度,内部采用增殖剂与中子倍增剂分层布置以提高热沉积与氚增殖率。为验证包层设计的可行性,分析计算了三维包层氚增殖率与热沉积的分布,然后根据中子学计算得到的结果对超临界水冷固态实验包层进行了数值模拟研究。结果表明:包层功率密度分布较合理;氚增殖率满足运行中氚自持的要求;在冷却剂出口温度达到500℃条件下材料温度不超过限值。该设计方案能满足中子学设计与热工水力的要求。     

注氘低活化马氏体钢在电子辐照下的缺陷行为

低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢被视为国际热核聚变反应堆以及聚变反应堆的第1壁候选结构材料之一,很多国家均在研究不同的RAFM钢,中国低活化马氏体(CLAM)钢的研究亦正在进行。核聚变会产生氢、氦、氘及氚,这些气体元素与辐照缺陷结合在一起,对材料的辐照性能会产生较大影响。本文对注氘后不同温度下的辐照后微观结构进行研究。试验利用日本北海道大学的JEOL-1300高压电子显微镜研究注氘CLAM钢从室温到873K在1250keV电子辐照下的微观结构变化。研究结果表明,在电子辐照下,注氘产生的缺陷团会出现消失和长大两种现象,意味着间隙型与空位型位错环在注氘过程中同时产生。并研究了注氘产生的空洞。     

430℃下2.98dpa中子辐照后CLAM钢的拉伸和冲击性能

利用高通量工程试验堆HFETR开展了CLAM钢430℃下2.98dpa的中子辐照实验,通过辐照前后拉伸和冲击性能测试与对比分析,研究了CLAM钢的中子辐照硬化和脆化效应。结果显示,CLAM钢辐照后室温测试的抗拉强度和屈服强度分别为710 MPa和615 MPa,较辐照前分别下降16 MPa和-0.5MPa,总延伸率减小1%,断面收缩率下降4%,保持良好的强度、塑性和韧性。冲击测试表明,CLAM钢辐照前后韧脆转变温度基本相同,上平台能量无明显变化,约为217J,未出现明显辐照脆化。CLAM钢的抗辐照性能略优于其他低活化铁素体/马氏体RAFM钢在类似辐照条件下的性能。     

Effect of direct and reheated quenching on microstructure and mechanical properties of CLAM steels

Direct and reheated quenching on microstructural mechanical properties of China Low Activation Martensitic (CLAM) steel was investigated. Three direct quenching and tempering (DQ&T) CLAM steels were rolled at the same finish rolling temperature with different quenching rate, and their microstructures and mechanical properties were compared with those of a reheated quenching and tempering (RQ&T) CLAM steel. DQ&T process was proven to strengthen the tensile property but lower the toughness compared to RQ&T process due to the finer austenite grain size formed under RQ&T process. Tensile property first increased with quenching rate and then decreased. The reason for this was discussed.     

Hydroforming simulation and preparation of low activation martensitic steel Y-shapes

The hydroforming process to prepare China low activation Martensitic steel (CLAM) Y-shapes with desired protrusion height and uniform thinning rate was studied in this work. The axial feed distances for Y-shapes of the different protrusion angles were determined. Then, the effects of the loading path and the friction coefficient on the protrusion height and the distribution of thinning rate of the 45° Y-shapes were investigated by numerical simulation, respectively. The optimized parameters were obtained: left axial feed 79 mm, right axial feed 60 mm and friction coefficient 0.07. In addition, the optimal loading path with the maximum rise rate of the internal pressure was determined. Subsequently, CLAM Y-shapes were hydroformed successfully based on the simulation results. The experimental results were approximately accordant with the simulative ones. It was indicated that the qualified CLAM Y-shapes could be obtained by the optimized hydroforming process.     

低活化马氏体钢的微观结构与力学性能

介绍了作为聚变反应堆候选结构材料的低活化马氏体钢的基本设计思路,初步确定了材料的化学成分和热处理工艺,研究了材料的冶金特性、微观组织和力学性能.同时,对比了添加少量钇和硅对材料性能的影响,发现添加硅可以提高材料强度,同时能保证材料具有足够的塑性和韧性;钇的添加对改善材料的塑性很有帮助,但是会使材料强度降低.     

PRHRS隔离阀前后破口事故对非能动堆芯冷却系统的影响分析

对于AP型核电站小破口失水事故(SBLOCA)试验进程，国内外有较为一致的认识，但对于相同尺寸破口在不同破口位置对试验进程、非能动堆芯冷却系统的影响仍需进一步研究。本文利用大型非能动堆芯冷却整体试验台架ACME开展了非能动余热排出系统（PRHRS）隔离阀前后破口事故试验工况研究，并以堆芯补水箱（CMT）侧冷管底部破口事故工况作为对比工况。试验结果表明：ACME开展的PRHRS隔离阀前后破口事故模拟工况事故进程符合典型SBLOCA进程，堆芯始终处在良好的冷却状态，非能动堆芯冷却系统的安全性得到有效验证；相同破口尺寸工况下，不同破口位置对事故进程有一定的影响，其中破口位置对CMT液位、安注流量的影响较为关键。对比工况中，PRHRS设备换热量也有较大不同，冷管破口和隔离阀后破口工况较隔离阀前破口工况换热量更大，但PRHRS换热管内部流动换热机理需进一步研究。     

First wall fabrication of 1/3 scale china dual functional lithium lead blanket

The dual functional lithium lead blanket is chosen as one of the candidate blankets for China fusion reactor, for its advantages of tritium breeding and good heat exchange performance. As one of the most important components of the blanket, the first wall (FW) is assembled with China low activation martensitic (CLAM) rectangular tubes and plates by hot isostatic pressing (HIP)–diffusion bonding (DB). In this work, the rectangular tube fabrication and FW assembly were carried out in order to verify the feasibility of the FW fabrication scheme. The mechanical property and dimensional accuracy of CLAM rectangular tubes were tested, the microstructure observation and non-destructive detection revealed the sound of the FW mock-up, and the reliability of the FW mock-ups is under evaluation.     

Analysis of Effect of SBLOCA before and behind Isolation Valve of PRHRS on Passive Reactor Core Cooling System

For the test process of small break loss of coolant accident (SBLOCA) of AP type nuclear power plant, there is a more consistent understanding at home and abroad. However, the influence of the same size of the break on the test process and passive core cooling system in different locations still needs further study. In this paper, a large passive core cooling integrated test facility ACME was used to study the break accident test conditions of passive residual heat removal system (PRHRS) before and behind the isolation valve, and the bottom break test of the cold pipe of core makeup tank (CMT) was used as the contrast condition. The test results show that the accident process of PRHRS before and behind the isolation valve is in accordance with the process of SBLOCA, the core is always in a good cooling statement and the safety of passive core cooling system is effectively verified. There is a certain impact on the accident process for the same break size and different break locations, and the location of the break has a key impact on the CMT level and safety injection flow. In contrast, the heat transfer of PRHRS equipment is also quite different. The heat transfer of cold pipe break and break behind the isolation valve is greater than break before the isolation valve, however, the flow and heat transfer mechanism of PRHRS heat exchange tube needs further study.     

C型换热器管外流体两相自然循环数值模拟

建立了简化的C型换热器管外流体CFD分析模型,模拟了反应堆安全壳内置换料水箱（IRWST）中典型气液两相自然循环特性。首先用公开发表文献中的试验数据对计算方法进行校验,计算中采用的湍流模型、壁面沸腾模型等能较好地捕捉主流流体升温特性、两相自然循环特性。结果表明：C型换热器增加了管外流体流场分布的不均匀性,提高了冷、热流体间的搅混强度,有助于降低管外流体温度差,增加大容积水池内的自然循环能力;但由于壁面对气泡的阻滞作用,换热器弯管及水平管局部区域空泡份额最大,发生了气泡聚集。计算结果可为非能动余热排出换热器的设计提供支持。     

硅对低活化马氏体钢电子辐照行为的影响

利用超高压透射电子显微镜研究了两种成分的低活化马氏体钢(CLAM钢)的辐照损伤行为。结果表明：电子辐照能在未添加硅的CLAM钢中产生辐照空洞;在450℃下辐照至14dpa时,空洞数密度约为8.7×10²¹m^－3,辐照肿胀率约为0.26％;在450℃下的辐照肿胀率明显比500℃下的高;当损伤率为2×10^－3dpa/s时,添加合金元素硅能显著提高CLAM钢的抗辐照肿胀能力,未在添加硅的CLAM钢中实验观察到辐照空洞的形成。在450℃下进行辐照时,添加硅的CLAM钢出现明显的辐照共格析出现象。