双功能锂铅实验包层模块第一壁冷却流道热工水力学设计优化分析研究

采用理论计算与数值模拟相结合的手段对双功能锂铅实验包层模块(DFLL-TBM)第一壁(FW)冷却剂流道热工水力学优化方案进行了研究.理论计算给出了不同流速时第一壁结构温度与冷却剂出口温度,并用经验公式估算出相应的冷却剂压降,考虑氦气出口总温、总压降与结构温度限制给出最优方案.采用CFD数值模拟对优化方案进行验证,结果表...     

DEMO堆包层第一壁热工水力优化分析研究

聚变堆包层第一壁是影响包层换热效率与运行安全性最重要的部件,为了研究第DEMO堆包层第一壁的热工水力性能,对第一壁流道内氦气冷却剂的流动及其与结构材料的换热进行了数值模拟研究及优化分析。结果表明,通过增大氦气进口质量流量可以有效地降低第一壁结构材料的最高温度,但是由此带来的压力损失很大,不能作为强化换热的主要途径。此外,增加每组流道的盘绕次数能起到强化换热的效果,目前每组流道盘绕五次的方案是合理的。流道中存在的圆角包层第一壁的流动换热影响不大,但圆角的存在会使第一壁最高温度有一定的升高。铍涂层的导热系数与第一壁最高温度成反相关关系,但是对第一壁流道的对流换热影响不大。结构材料的导热系数的增大能显著降低第一壁结构材料的最高温度。     

ITER中国液态锂铅实验包层模块第一壁等离子体注入氚滞留分析

对等离子体注入ITER中国液态锂铅实验包层模块第一壁滞留的氚进行了分析,考虑了第一壁温度梯度、材料表面清洁度、加挂Be瓦及结构材料内缺陷等因素对氚滞留量的影响。分析结果显示,滞留的氚主要存在于中子辐照引起的缺陷内;氚滞留量对第一壁面向等离子体侧的清洁度及加挂Be瓦很敏感;总的氚滞留量约0.58 mg,不会对ITER真空室内氚滞留造成显著影响。     

超临界压力水冷包层方案第一壁的热与应力分析

针对超临界水冷包层中第一壁的运行工况,利用数值计算软件ANSYS中CFX和Workbench两个模块对第一壁结构中的固体域和流体域进行数值分析研究。对比矩形管道和圆形管道内传热及热应力分布发现,矩形管道四个角域强化了壁面流体和主流流体的动量和热量的交换,使传热性能优于圆形管道,而四个角域的存在也造成了该处的应力集中,使结构材料的最大应力明显高于圆形管道。进一步研究冷却剂流向和冷却管道几何结构参数对第一壁结构温度场和应力场的影响发现,在ITER运行工况下,冷却剂流向影响很小,增大冷却管道直径和减小冷却管道最小壁厚均能改善第一壁结构材料中的最高温度,而这两个几何结构参数对第一壁应力的影响较为复杂。     

水冷固态增殖包层模块冷却剂管系流量分配研究

包层是磁约束聚变堆中实现氚增殖和能量导出的重要部件,针对包层模块中,由于复杂的串并联流道结构所导致的冷却剂流量分配不均匀问题,采用一维热流体流动分析软件Flowmaster,建立了水冷固态增殖包层子模块的冷却剂流道结构模型。对运行工况下包层冷却剂流量分配进行模拟,并与相关试验以及模拟结果进行比对。模拟结果表明,所建立的子模块一维模型各部分冷却剂温升和压降均与设计值吻合,模型能够准确的描述包层冷却剂流动特性。在稳态运行工况下,包层子模块侧壁支管出现较为明显的流量分配不均匀现象,流量最大值与最小值偏差达到5%。位于侧壁上下两端的集合管对流量分配均匀性起重要作用,保持矩形集合管横截面积不变,横截面长宽相等时流量分配最为均匀。当集合管采用不同形状设计时,圆形管道流量分配均匀性要好于矩形管道。     

堆芯冷却剂流动和传热特性的数值模拟

为了模拟堆芯冷却剂的流动与传热问题，编制了一个热工水力分析程序，该程序基于多孔介质分析方法，在流体所遵循的质量守恒，动量守恒和能量守恒方程中引入体积孔隙率，有方向表面孔隙率、局部阻力和局部热源燃料棒等固体构件对冷却剂流动和传热的影响，鉴于差分格式和算法对计算精度和计算速度有较大的影响，在程序中对能量方程采用了开发的ＷＳＵＣ格式，为了使程序既适应于稳态工况及又适应瞬态工况，在算法上采用了改进的ＰＩＳ     

聚变堆螺旋流道液态第一壁流动稳定性分析

聚变堆包层第一壁材料所面临高能粒子辐照、电磁辐射、高热负荷、复杂的机械负荷和相应的物理化学腐蚀制约其服役性能和使用寿命,是聚变能发展的瓶颈问题。液态第一壁由于液态工质自身的特点可以承受更高的热负载、中子壁负载以及更高的出口温度,且由于液态工质的不断更新不存在中子辐照损伤问题,在未来聚变堆应用中很具有吸引力。但由于液态金属在聚变堆强磁场作用下流动形成磁流体(Magnetohydrodynamic MHD)效应,维持液态第一壁在复杂的几何结构和苛刻的工作条件的稳定流动性是现有液态壁研究的难点问题。本文针对自由表面液态金属流动时产生的MHD特性,提出了螺旋流道液态壁流动方案,通过在真空室背壁上设置沿磁场方向的螺旋型流道,使流道内液态金属沿磁场运动,进而减少切割磁场产生的MHD效应。并参考典型聚变堆FDS-Ⅱ,建立了外包层三维模型与真实磁场位型,对方案进行MHD分析与优化,分析结果表明该方案可以在真空室表面形成完整、稳定的液态金属包裹,验证了该方案在磁场作用下液态第一壁流动稳定性与初步可行性。     

DEMO水冷包层第一壁结构优化设计研究

针对聚变示范堆（DEMO）水冷包层,通过计算流体力学程序CFX和计算结构力学程序ANSYSWorkbench中的SIMULATION模块进行单向流固耦合分析。在对现有设计的DEMO水冷包层第一壁温度和应力数值模拟分析的基础上,改变了第一壁流道结构,着重研究了不同流道结构下的温度和应力分布,分析了几何结构对最高温度和最大应力的影响,提出第一壁结构的优化设计方案。数值模拟结果表明,优化设计方案能有效降低第一壁结构中的最高温度和最大应力。     

ITER中国氦冷固体实验包层模块温度场和氦气流场三维数值分析

采用通用计算流体力学软件Fluent对应用于国际热核实验堆(ITER)的实验包层模块(TBM)的第一壁Be、Be球床中子增殖区、Li4SiO4陶瓷球床氚增殖区、以及结构材料的温度场和氦气流道内流场进行了三维数值模拟,研究了TBM的温度场及冷却管道内的氦气流场的分布.结果表明,除极小区域外,材料的温度在该材料所允许的工作范围之内;氦气表现出很好的流动和换热特性.     

聚变堆实验包层模块第一壁温度场及热结构分析

铍相对于众多聚变反应堆的第一壁护甲材料,有着许多优点,这些优点使它和钨及碳基材料一起被选作国际热核聚变实验堆（ITER）第一壁的候选防护材料。对中国氦冷固态增殖剂实验包层模块（CHHCSBTBM）第一壁进行多场耦合模拟分析结果表明,使用表面热负荷模拟分析时,未考虑中子负载情况下,模拟分析结果与其它结果有较大出入,故使用表面热负荷模拟分析时必须考虑中子负载情况。而对第一壁热结构分析表明,铍保护板的应力超过了其许用应力,可以寻找其它铍合金或第一壁护甲材料以满足第一壁护甲材料热结构应力要求。     

聚变实验堆ITER实验包层瞬态热工安全分析

在中国向ITER(International Thermonuclear Experiment Reactor)实验包层工作组提交的双功能锂铅实验包层模块(DFLL-TBM)设计分析的基础上,通过对DFLL-TBM系统相关的瞬态事故如真空室内部冷却剂泄漏、TBM(实验包层模块)内部冷却剂泄漏以及真空室外部冷却剂泄漏事故进行计算分析,评价DFLL-TBM对ITER在热工方面对安全的影响.结果表明:当发生瞬态事故时,DFLL-TBM有能力通过热辐射将余热排出,且包层结构不会熔化.DFLL-TBM可满足ITER在热工方面对安全的要求.     

基于RELAP5的双功能液态锂铅实验包层模块安全分析

利用嵌入了液态锂铅（LiPb）的热工水力子模块的系统程序RELAP5/MOD3,对双功能液态锂铅（DFLL）实验包层模块（TBM）的安全特性进行评价。对DFLL-TBM及其辅助冷却系统的稳态运行工况、预期运行事件和相关事故工况进行了建模、计算和分析。计算结果表明,稳态运行时第一壁（FW）结构材料表面最高温度低于允许值550 ℃。事故工况下氦气泄漏引起的ITER真空室（VV）、窗口设备室（port cell）以及托卡马克冷却水系统大厅拱顶（TCWS vault）的增压均低于ITER要求的限值0.2 MPa。实验包层钢结构不会熔化且可通过辐射换热有效地导出衰变余热。DFLL-TBM的设计可满足ITER对其热工水力安全方面的要求。     

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.     

球床堆内冷却剂流动与传热特性的CFD研究

以计算流体力学(CFD)为基础,利用大型商业软件ProE和CFX,对球床式水冷堆堆芯燃料元件进行三维建模、网格划分和数值计算,对堆芯内冷却剂热工水力特性进行了初步的研究.计算比较了燃料元件球间隙和接触情况下冷却剂的速度场、温度场和压力分布,分析了其对堆芯安全的影响.     

高功率脉冲加热条件下燃料模块流动传热特性研究

在Z箍缩驱动的聚变-裂变混合堆中,聚变中子源以脉冲形式释放,裂变燃料在释放能量过程中具有强烈的脉冲特性。本文通过对水冷包层中的燃料模块进行抽取与建模,采用Fluent程序与集总参数法分别模拟分析了燃料模块在脉冲加热条件下的流动传热特性。采用Fluent程序对集总参数法模拟脉冲加热的可行性进行了论证,并分析了不同材料热物性对流动传热特性的影响。计算结果表明:集总参数法具有模拟脉冲加热的能力;脉冲加热条件下,流体出口温度与流量将发生振荡,且提高燃料热容与降低压力管热导率可有效降低该振荡。