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。     

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。     

中国液态锂铅包层材料研究进展

液态锂铅包层是国际上普遍关注和最有发展潜力的聚变堆包层概念设计之一,而包层材料是液态锂铅包层的核心问题之一.目前,液态锂铅包层普遍选用低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)作为结构材料,液态锂铅作为中子倍增剂及氚增殖剂.另外,部分设计采用了耐高温、电绝缘流道插件作为功能材料,以降低磁流体动力学效应及提高冷却剂出口温度(高于700℃).为适应液态包层的发展需求,中国科学院等离子体物理研究所FDS团队联合国内外相关研究单位,进行了具有中国自主知识产权的中国低活化马氏体钢(CLAM钢)及液态锂铅包层功能材料研发,并开展了锂铅热对流及强迫对流回路的设计、研制及腐蚀实验研究,以研究液态金属锂铅的流动特性及其与结构和功能材料的相容性.同时建立了聚变堆材料数据库平台,为促进中国聚变堆液态包层及材料技术的研究和发展提供数据支持.     

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。     

中国氦冷固态增殖剂实验包层模块材料研究进展

在未来核聚变反应堆中,为补充氚的消耗,需要在核聚变堆的包层中进行氚的在线增殖,以维持核聚变反应的持续进行。为验证这一关键技术,在国际热核聚变实验堆（ITER）上开展了ITER TBM计划（实验包层项目）。作为ITER计划成员方之一,中方以中国氦冷固态增殖剂实验包层模块（HCCB TBM）概念参与ITER TBM计划。HCCB TBM现今进入初步设计阶段,而材料的制备技术和性能数据是支撑其结构设计、安全分析和服役工况评估的基础。本文综述和分析了HCCB TBM结构材料低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）与功能材料氚增殖剂和中子倍增剂的研究现状,并对这些材料下一步的研究方向进行了展望。     

中国氦冷固态增殖剂实验包层模块材料研究进展

在未来核聚变反应堆中,为补充氚的消耗,需要在核聚变堆的包层中进行氚的在线增殖,以维持核聚变反应的持续进行。为验证这一关键技术,在国际热核聚变实验堆(ITER)上开展了ITER TBM计划(实验包层项目)。作为ITER计划成员方之一,中方以中国氦冷固态增殖剂实验包层模块(HCCB TBM)概念参与ITER TBM计划。HCCB TBM现今进入初步设计阶段,而材料的制备技术和性能数据是支撑其结构设计、安全分析和服役工况评估的基础。本文综述和分析了HCCB TBM结构材料低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)与功能材料氚增殖剂和中子倍增剂的研究现状,并对这些材料下一步的研究方向进行了展望。     

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。     

超临界水冷堆用候选奥氏体耐热不锈钢热时效组织研究

为了研究热时效过程中超临界水冷堆(SCWR)用候选包壳材料含铝奥氏体耐热钢(AFA)热时效组织和冲击性能的变化,对铝含量为2.5%的AFA钢在650℃进行了500～3000 h热时效处理。利用场发射扫描电镜对析出相及冲击断口进行观察,利用透射电镜对热时效试验钢中析出相的类型和结构进行研究。结果表明：试验钢的冲击韧性随时效时间延长而逐渐降低,试验钢断裂由韧窝断裂逐渐向韧窝断裂和解理断裂的混合断裂方式过渡。热时效过程中Laves相在晶界上析出以及γ’-Ni₃Al相大量析出并粗化是AFA钢冲击韧性随时效时间延长而降低的主要原因。     

聚变驱动次临界堆双冷嬗变包层第一壁结构热应力计算与分析

使用有限元程序对聚变次临界堆双冷嬗变包层第一壁进行数值模拟 ,给出不同载荷条件下的温度场和应力场分布 ,结果证明典型氦气系统设计满足热工要求。依据数值模拟结果对第一壁氦气载热能力进行分析 ,并考虑了流道形状对结构热应力的影响。     

聚变堆第一壁用纳米结构ODS钢的发展与前瞻

第一壁结构材料必须满足聚变堆极其严酷的工作环境要求,这是制约聚变堆发展的技术瓶颈之一。近年来发展起来的纳米结构氧化物弥散强化钢的特征性微观结构赋予了该材料优异的抗辐照性能,被视为第一壁结构材料的发展方向。本文简述了国内外第一壁材料的研究与发展概况。     

双冷嬗变包层第一壁热工水力特性数值模拟研究

利用CFX程序对聚变驱动次临界堆嬗变包层第一壁在水冷条件下的热工水力特性进行数值模拟和分析。计算选用PWR典型工况下的水,取嬗变包层第一壁的局部模型,考虑了流固热耦合,重点计算分析了在不同壁面热流密度和冷却剂流速条件下冷却剂温度、压降及结构材料最高温度的分布。计算结果显示,当水的入口流速为1～5m/s时,结构材料的最高温度较使用典型工况下的氦气作冷却剂时低16～91K,同时结构材料最大温差降低了12.2%～49.5%。结果表明：水可较好地满足稳态工况下第一壁的换热要求。     

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。     

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.     

材料与构件深部应力场及缺陷无损探测中子谱仪热中子导管概念设计

针对中国先进研究堆（CARR）正在建造的材料与构件深部应力场及缺陷无损探测中子谱仪所需的热中子导管,开展模拟计算与概念设计。首先根据CARR内的现场情况和该谱仪的整体要求设计热中子导管的内部截面尺寸为90 mm×160 mm,整体长度为19.7 m,导管长度分为3组;然后根据这些参数开展蒙特卡罗模拟,通过比较导管镀层的特征增殖因数m分别为1、2、3、4、5、6时导管末端的中子强度二维空间分布、水平方向发散角分布、波长分布等主要性能指标的模拟结果,选定m=3,并以此完成了导管的参数设计。     

核电厂卧式蒸汽发生器热工性能的计算和分析

文章基于卧式蒸汽发生器的工作原理及内部结构特点,建立了卧式蒸汽发生器数学物理模型,开发了针对卧式蒸汽发生器的热工水力程序。基于在役核电站卧式蒸汽发生器的设计参数,对程序进行了校核。该程序可以用来研究卧式蒸汽发生器内主要热工参数的分布情况,为卧式蒸汽发生器设计、安全分析提供指导;也可以根据在役核电站的历史运行数据对蒸汽发生器现阶段热性能进行分析评定,对蒸汽发生器一段时间内的热性能进行预测,为蒸汽发生器的运行、检修以及更换提供依据。     

Stress and Thermal Analysis of the In-Vessel RMP Coils in HL-2M

A set of in-vessel resonant magnetic perturbation(RMP) coils for MHD instability suppression is proposed for the design of a HL-2M tokamak.Each coil is to be fed with a current of up to 5 kA,operated in a frequency range from DC to about 1 kHz.Stainless steel(SS) jacketed mineral insulated cables are proposed for the conductor of the coils.In-vessel coils must withstand large electromagnetic(EM) and thermal loads.The support,insulation and vacuum sealing in a very limited space are crucial issues for engineering design.Hence finite element calculations are performed to verify the design,optimize the support by minimizing stress caused by EM forces on the coil conductors and work out the temperature rise occurring on the coil in diferent working conditions,the corresponding thermal stress caused by the thermal expansion of materials is evaluated to be allowable.The techniques to develop the in-vessel RMP coils,such as support,insulation and cooling,are discussed.