SST—1托卡马克的PFC烘烤设计与热工水力分析

稳态超导托卡马克（SST－1）是一个有超导磁场线圈的中型托卡马克，由偏滤器、无源稳定设备、档板和极向孔栏组成的SST－1装置的面向等子体部件（PFC）要被设计成能适合于稳态运行，在环向方向除了极向孔栏以外，其它所有的PFC在结构上是连续的。当SST－1被设计成双零偏滤器等离子体运行时，这些元件还要求上下对称，应选择一个紧密的偏滤器位形以便在偏滤器区域内能产生高再循环和高抽速，无源稳定设备位于等离了体附近，这对克服拉长等离子体的垂直不稳定性起到稳定作用，在PFC设计中主要考虑的问题是最高达1MW.^m-2的稳态热排出，除了排出高热能量以外，还要把PFC设计成能适应350摄氏度的烘烤温度，为了对SST－1不同的PFC选择最佳的热工水力参数和管道布置，对不同的流量参数和各种管道布置已作了检验，PFC在烘烤期间的热响应已经用FORTRAN编码进行了分析，同时也用ANSYS进行了二维有限元分析，本文要详细PFC烘烤的热工学的热响应。     

新型氮气稳压器系统稳态和瞬态特性研究

根据氮气稳压器系统的基本理论模型,分析了氮气稳压器的稳态和瞬态运行特性,得到了两种不同波动流量工况下,稳压器压力、水位、水区焓、水区质量、氮气温度及氮气体积随时间的变化特性.结果表明:当波动流量为正波动时,稳压器的压力、水区质量、水区焓、水位、氮气温度均呈上升趋势,氮气的体积降低;而当波动流量为负时,各参数变化规律相反.研究表明,氮气稳压器的响应特性较好.两种工况下主要参数的变化趋势与理论分析相一致,但对该模型的实验验证以及控制研究仍需在将来的工作中进行.     

铅铋自然循环回路热损效应分析

在液态金属自然循环回路的计算分析过程中,已有研究一般忽略散热损失,常导致计算结果与实验结果有较大的区别。为研究散热损失对液态金属自然循环回路稳态特性的影响,利用MATLAB/Simulink编制了含有散热损失模型的铅铋自然循环回路计算程序,并用实验结果进行了验证。利用该程序,分析了不同热功率、中间热交换器二次侧流量和环境温度下散热损失对自然循环回路稳态参数的影响。计算结果表明:通过减小散热损失可提高回路的自然循环流量;当二次侧流量较小时,散热损失对循环流量的影响更为明显;通过增加二次侧流量或适当增加热功率可减小散热量占总热功率的比例,提高热量利用率;当二次侧流量不变时,不同热功率下环境温度对回路的自然循环流量的影响不明显,但热量利用率会随环境温度的升高而增加。     

中国聚变工程实验堆雪花偏滤器脱靶运行的SOLPS模拟

在中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)的工程概念设计中,为探索有效降低偏滤器靶板热负荷的途径,相对于国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)特别增加了两个极向场线圈用于产生近年来新提出的雪花偏滤器位形。脱靶运行状态下,偏滤器靶板上的热负荷显著降低,但同时由于偏滤器温度的降低,杂质约束性能会变差,因此需要对CFETR雪花偏滤器的脱靶运行状态进行研究。基于边界等离子体物理模拟软件SOLPS(Scrape-off Layer Plasma Simulation),通过数值模拟研究了CFETR雪花偏滤器的脱靶运行状态。模拟中通过主等离子体室内的D2充气改变等离子体密度。当充气速度足够高时,CFETR雪花偏滤器实现完全脱靶,靶板上的离子流和热负荷都显著降低。但此时偏滤器区域等离子体温度已经非常低,杂质将容易通过X点进入芯部,有产生辐射不稳定性的风险。因此,对于CFETR雪花偏滤器较为合适的工作状态应当是部分脱靶运行。     

钠雾火试验结果及与雾火程序计算的比较分析

钠雾火试验在一个体积为2.4 m~3的封闭容器内进行,用于分析雾状钠火的热动力学后果。250℃的液态钠在电磁泵的驱动下经过直径为2.4mm的喷头呈液滴喷出形成雾状钠火,喷头与容器底部的距离为1.35m,钠喷射流量约14.85g/s,喷射持续78s,试验测得容器内的气体在78s时达到最高压力41kPa,113s时达到最高温度190℃。将试验数据和利用基于雾状钠火计算程序(NACOM)编制的计算程序计算得到的数据进行了对比和分析。结果表明:当将钠喷射的流量修正为3.83g/s、容器壁的总传热系数修正为9.6 W/(m~2·K)时,钠喷射期间,计算压力大于试验压力,钠喷射结束后,计算的压力变化曲线和试验所得的压力变化曲线吻合较好;而计算所得的温度曲线和试验测得的温度曲线有较大差异,理论上容器内的温度在第78s时达到最大值303℃,分析认为是因为热电偶测量的温度存在滞后现象。     

并联多通道流动不稳定性实验研究

以去离子水为工质,在系统压力为0.89~1.32 MPa、入口质量流速为500~750 kg/(m2?s)、入口温度为58.5℃~132.3℃的条件下,研究了2、3、5根圆管通道（1400 mm×Φ8 mm×2 mm）内工质向上流动时并联通道发生流动不稳定时的特征,并对比了其流动不稳定边界。结果表明,加热并联多通道进入两相后首先发生流量漂移,当通道出口含气率达到一定程度后,最热通道与其他通道之间发生周期性流量脉动;在对称加热条件下,加热通道数目对并联多通道流动不稳定边界无明显影响。      

熔盐自然循环回路热损失功率实验及计算

熔盐自然循环回路是为研究熔盐的自然循环特性,支持先进熔盐堆非能动安全系统设计而建造的实验装置。熔盐在回路中的热量损失对于自然循环的建立和保持具有重要的影响。本文以熔盐储罐为代表部件,通过实验得到了其热量损失的数据,并利用数值模拟的方法,计算了不同温度下储罐各部分的热损失,分析了储罐热损失规律,拟合得到了热损失随温度及时间的变化关系。对比熔盐在不同温度下热损失的实验值和计算值,发现两者吻合良好,相对误差均小于10%。分析结果表明,内插式电加热器是储罐主要热损失途径之一,并导致了熔盐的温度分层。     

Zr-2.5Nb压力管材料氢致延迟开裂行为研究

研究了含氢60μg/g的Zr-2.5Nb压力管材料的氢致延迟开裂(DHC)行为,采用"力值波动监测法"来监测试样DHC裂纹扩展情况,计算了不同试验条件下试样的应力强度因子门槛值(KIH)和氢致延迟开裂速率(DHCR),同时研究了温度和轧制方向对DHC行为的影响规律。结果表明:实验温度为250℃时,Zr-2.5Nb合金DHCR范围为5.15×10~(-8)~15.14×10~(-8) m/s,KIH值范围为16.55~18.49 MPam~(1/2);实验温度为200℃时,DHCR范围为2.11×10~(-8)~2.36×10~(-8) m/s,KIH值范围为26.22~30.89 MPam~(1/2)。随着温度的降低,DHCR减小,KIH值升高。预制裂纹方向垂直于轧制方向时,DHC开裂现象不明显。     

棒束通道内混合对流传热实验研究

以自然循环下堆芯内可能会发生的低流量传热为研究背景,对5×5棒束通道内的混合对流传热现象进行了实验研究。实验压力为6 MPa, 质量流量为25~150 kg/(m2·s),热流密度为25~300 kW/m2,实验雷诺数Re为1000~30000,浮升力参数Bo*为2×10-7~3×10-3。实验发现,随着Bo*的增大,棒束通道内传热产生先弱化后强化的趋势。浮升力对棒束通道内传热造成影响的起始点为Bo*=3.5×10-6,当Re >15000时,浮升力依然可对传热造成弱化现象。基于实验数据,提出了适用于棒束通道的混合对流经验关系式。      

百万千瓦级压水堆严重事故后再注水的有效性评价

根据现有的设计资料,使用一体化严重事故分析程序MELCOR1.8.6建立了核电厂一、二回路系统,非能动堆芯冷却系统和安全壳系统的模型,并模拟冷段2英寸(5.08cm)小破口叠加重力注入失效的严重事故发生后,将冷却剂注入堆芯的情形,分析其对严重事故进程的缓解能力。本文选取3个严重事故的不同阶段,将冷却剂分别以小流量(10kg/s)、中流量(50kg/s)和大流量(200kg/s)的速率注入堆芯,通过比较氢气产生量、堆芯放射性产生量及堆芯温度等数据来评估在严重事故不同阶段再注水的可行性。结果表明:在堆芯损伤初期,可认为10kg/s以上的流量足以冷却百万千瓦级事故安全。而当严重事故发展到堆芯开始坍塌阶段,200kg/s的注水流量可认为是基本可行的,而小于此流量的注水应慎重考虑。     

高温氦氙气体微通道回热器的传热流动特性分析

以氦氙气体作为工质的闭式布雷顿循环系统是大功率空间热电转换目前最可行的技术方案。高温氦氙气体回热器是闭式布雷顿循环系统的关键部件,其性能明显影响系统发电效率、系统发射质量以及系统布置的紧凑性。本文采用计算流体力学和传统理论分析方法,针对高温氦氙气体微通道的结构及成型工艺选择、工作温度与回热器回热度的关系、流量与性能参数的关系等进行了研究。研究结果表明,采用精雕工艺作为微通道的成型工艺可在不降低回热器换热性能的前提下降低压降40%,减少质量17%。在设计参数条件下,微通道之间设置联通通道不会增加换热能力。回热器回热度随流量的增加而减小,且存在拐点,对于拟研制回热器的设计参数,设计流量应不高于0.24 g/s。回热器结构合理性用单位压降和温降条件下换热面积与功率的比值来判断,降低雷诺数能有效提高回热器的结构合理性。     

吸收球气力输送供料器可视化试验研究

供料器是球床式高温气冷堆吸收球停堆系统中吸收球气力输送的一个重要设备。在以常温常压空气为气源的压送式气力输送试验系统中,使用玻璃球代替吸收球,进行了改进的流化管式可视化供料器的气力输送试验。结果表明：改进的流化管式供料器气力输送过程稳定可靠;随着供料器入口空气流速由8m/s增大到29m/s,颗粒个数流率由约4.7×10⁴min^-1增大到约1.25×10⁵min^-1后保持不变,料气质量混合比则是先增大后减小,供料器压降先增大后减小再增大;空气流速大于19m/s后,气力输送进入到稳定的稀相输送阶段,垂直管段压降缓慢增大。     

带定位格架的类三角形堆芯通道超临界水传热试验研究

针对带定位格架的超临界水冷堆堆芯垂直上升类三角形子通道,开展超临界水的流动传热试验研究。反应堆堆芯类三角形子通道棒束直径为8 mm、栅距比为1.4,试验参数范围为:热流密度q=200~600 kW/m2、压力P=23~28 MPa、质量流速G=700~1300 kg/(m2·s)。分析了热流密度、压力和质量流速等热工参数对超临界水传热特性的影响。试验结果表明:定位格架处质量流速升高,流体扰动性增强,换热系数提升显著;在超临界压力下,提高压力会导致内壁温度上升,换热系数峰值降低;过高的热流密度会导致换热系数峰值降低,适当减小热流密度可提高换热性能;提高质量流速会导致内壁温度降低,换热系数峰值上升,能够显著提高换热性能。压力变化对定位格架区域传热特性影响较小,适当提升压力可提高系统安全性。      

Numerical Simulation on Subcooled Boiling Heat Transfer Characteristics of Water-Cooled W/Cu Divertors

In order to realize safe and stable operation of a water-cooled W/Cu divertor under high heating condition,the exact knowledge of its subcooled boiling heat transfer characteristics under different design parameters is crucial.In this paper,subcooled boiling heat transfer in a water-cooled W/Cu divertor was numerically investigated based on computational fluid dynamic(CFD).The boiling heat transfer was simulated based on the Euler homogeneous phase model,and local differences of liquid physical properties were considered under one-sided high heating conditions.The calculated wall temperature was in good agreement with experimental results,with the maximum error of 5%only.On this basis,the void fraction distribution,flow field and heat transfer coefficient(HTC)distribution were obtained.The effects of heat flux,inlet velocity and inlet temperature on temperature distribution and pressure drop of a water-cooled W/Cu divertor were also investigated.These results provide a valuable reference for the thermal-hydraulic design of a water-cooled W/Cu divertor.     

垂直管内超临界水传热实验研究

在宽广的实验范围内对直径10 mm垂直管内超临界水在不同工况下的传热特性进行了实验研究,分析了热流密度、质量流速及压力变化对内壁面温度及传热系数的影响规律。实验参数为：压力23、25、26 MPa,质量流速450~1 200 kg/（m²•s）,热流密度200~1 200 kW/m²。实验结果表明：随主流温度的升高,壁面温度逐渐上升,在拟临界点附近由于物性剧变存在传热强化现象;热流密度的增加以及质量流速的减小均会削弱传热强化现象,并导致传热恶化;压力的影响主要体现在传热恶化、强化的起始热流密度和起始主流温度的不同。     

矩形回路内超临界水稳态自然循环特性数值分析

采用计算流体力学(CFD)方法对简单矩形回路内的稳态自然循环进行数值模拟研究,并对超临界条件下的重力压降计算方法进行评估分析。结果表明,稳态自然循环流量随加热功率的变化,加热段出口流体温度在拟临界点附近时出现最大值,该最大值随加热段入口流体温度的增加而减小;加热段的温度整体上升并向拟临界区移动时,加热段进出口间的密度差、速度差趋于增加,而压降趋于减小。重力压降计算方法评估表明,Ornatskiy与Razumovskiy所推荐的公式在计算较长管道(2 m)内重力压降时结果偏小,最大偏差接近-30%,辛普森公式可以较好地计算较长管道内的重力压降,可用于处理实验数据。     

SDB疏水催化剂载体的装填及对传质性能的影响

氢-水液相催化交换(LPCE)是处理大量含氚废水的有效途径,而疏水性载体苯乙烯-二乙烯基苯共聚物(SDB)是LPCE的关键材料,对活性组分Pt起到承载作用。采用30mm×400mm玻璃柱模拟催化反应床,研究了SDB疏水性载体与填料的填装方式、气体流速、液体流速、温度以及分层装填高度等工艺条件对床层压力降和持液量的影响。结果表明:当不锈钢θ填料与SDB疏水性载体的体积比为4∶1时,无论采用混合装还是分层装,床层压力降均随气体流速、液体流速和温度的增加而升高,而动持液量随气体流速的增加而减小,随液体流速的增加而增大;混合装的压力降低于分层装,不同分层装对应的床层压力降大小为:四层装三层装一层装两层装。     

Influence of multiple jet cooling on the heat transfer and thermal stresses in DEMO divertor cooling finger

The divertor concept for DEMO fusion reactor is based on modular design cooled by multiple impinging jets. Such divertor should be able to withstand a surface heat flux of at least 10 MW/m² at an acceptable pumping power. To reduce the thermal loads the plasma-facing side of the divertor is build up of numerous small cooling fingers. Each cooling finger is cooled by an array of jets blowing through the holes on the steel cartridge.The size, number and arrangement of jets on the cartridge influences the heat transfer and pressure drop characteristics of the divertor. Five different cartridge designs are analyzed in the paper. The most critical parameters, such as structure temperature, heat removal ability, pressure drop, cooling efficiency and thermal stress loadings in the cooling finger are predicted for each cartridge design. A combined computational fluid dynamics and structural model was used to perform the necessary numerical analyses. The results have shown that the cartridge design with the best heat transfer and pressure drop characteristics is not also the most favorable choice from the point of view of minimum stress peaks.     

Conceptual design and heat transfer performance of a flat-tile water-cooled divertor target

The divertor target components for the Chinese fusion engineering test reactor (CFETR) and the future experimental advanced superconducting tokamak (EAST) need to remove a heat flux of up to ～20 MW m-2.In view of such a high heat flux removal requirement,this study proposes a conceptual design for a flat-tile divertor target based on explosive welding and brazing technology.Rectangular water-cooled channels with a special thermal transfer structure (TTS)are designed in the heat sink to improve the flat-tile divertor target's heat transfer performance(HTP).The parametric design and optimization methods are applied to study the influence of the TTS variation parameters,including height (H),width (W*),thickness (T),and spacing (L),on the HTP.The research results show that the flat-tile divertor target's HTP is sensitive to the TTS parameter changes,and the sensitivity is T ＞ L ＞ W* ＞ H.The HTP first increases and then decreases with the increase of T,L,and W* and gradually increases with the increase of H.The optimal design parameters are as follows:H =5.5 mm,W* =25.8 mm,T =2.2 mm,and L =9.7 mm.The HTP of the optimized flat-tile divertor target at different flow speeds and tungsten tile thicknesses is studied using the numerical simulation method.A flat-tile divertor mock-up is developed according to the optimized parameters.In addition,high heat flux (HHF)tests are performed on an electron beam facility to further investigate the mock-up HTP.The numerical simulation calculation results show that the optimized flat-tile divertor target has great potential for handling the steady-state heat load of 20 MW m-2 under the tungsten tile thickness＜5 mm and the flow speed ≥7 m s-1.The heat transfer efficiency of the flat-tile divertor target with rectangular cooling channels improves by ～ 13％ and ～30％ compared to that of the flat-tile divertor target with circular cooling channels and the ITER-like monoblock,respectively.The HHF tests indicate that the flat-tile divertor mock-up can successfully withstand 1000 cycles of 20 MW m-2 of heat load without visible deformation,damage,and HTP degradation.The surface temperature of the flat-tile divertor mock-up at the 1000th cycle is only ～930 ℃.The fiat-tile divertor target's HTP is greatly improved by the parametric design and optimization method,and is better than the ITER-like monoblock and the fiat-tile mock-up for the WEST divertor.This conceptual design is currently being applied to the engineering design of the CFETR and EAST flat-tile divertors.     

滑油冷却器在不同布置方式下换热特性的实验研究

以68#润滑油为工质,对整体针翅管滑油冷却器的换热和阻力特性进行实验研究。在冷却水入口温度24℃、体积流量20m³/h以及滑油入口温度55℃、体积流量6~24m³/h的实验条件下,获得了滑油冷却器竖直和水平两种布置方式时的换热特性数据,在此基础上简要分析了不同布置方式对换热特性的影响因素。实验结果表明,换热器的不同布置方式对换热特性影响较小,可根据工程使用空间选择竖直或水平布置。