聚变堆熔盐冷却偏滤器靶板结构设计与分析

为提高偏滤器的抗中子辐照能力,兼顾高热承载能力和聚变堆经济性的需要,提出了基于熔盐冷却(MSC)的偏滤器靶板结构设计。它采用FLiNaK作为冷却剂,钨镧合金为热沉材料,钨为第一壁材料。通过数值计算评估了靶板的热负荷承载能力,并完成了偏滤器冷却剂回路设计,优化了偏滤器各模块之间的流量分配。此MSC偏滤器靶板设计可以有效去除10~15MW·m-2热负荷,为适应未来聚变堆偏滤器靶板发展的需要提供了一种设计解决方案。     

W/RAFM 钢偏滤器靶板的结构分析与寿命预测

探究RAFM 钢作为偏滤器靶板热沉的替换材料，验证其在3 种不同工况下的结构强度并预测其在交变载荷下的疲劳寿命。得出3S_m 法则下W/RAFM 钢偏滤器靶板最大可承受热负荷为8MW·m⁻²。结合中国聚变工程实验堆(CFETR)的设计目标，如果以ITER 偏滤器两年运行周期为设计准则，最大承受热负荷为7MW·m⁻²。考虑到偏滤器靶板区域呈现高热负荷低中子辐照、挡板和DOME板区域低热负荷高中子辐照特性，可以采用W/Cu 和W/RAFM 双路偏滤器靶板的结构设计。     

CFETR氦冷偏滤器初步设计与分析

基于中国聚变工程试验堆(CFETR)偏滤器位形,初步设计了指状、平板和 T 形三种氦冷偏滤器模型, 在 10MPa 入口氦压力、10MW⋅m⁻² 稳态热负荷下,分别对其进行传热数值分析。通过优化结构设计和氦入口参数, 降低了靶板工作温度,探索了三种单元结构靶板处理高热负载的能力。在 20MW⋅m⁻² 的稳态热负荷下,对优化后 的 T 形和指状单元结构进行了受热分析,并由此提出了混合型 CFETR 氦冷偏滤器初步结构。      

偏滤器靶板附近氦输运的蒙特卡洛模拟

本文用Monte Carlo方法模拟了偏滤器扁平抽气收集板附近区域的氦原子输运。考虑了氦原子被电子碰撞电离,氦原子与等离子体离子之间的弹性散射等原子过程以及离子的热运动和沿磁力线的流动。计算表明当偏滤器等离子体密度在7cm距离内从里向靶板逐渐增加约4.7倍,而温度分布保持不变时,氦灰返回靶板的几率比密度在7cm内向靶板递减4.7倍的通常正分布提高约45％。磁力线与靶板的交角、靶板的温度,边缘等离子体鞘层电位以及不同的靶材料对氦返回靶板几率的影响作了比较。得到的结果对托卡马克聚变裂变增殖堆孔栏和偏滤器工程设计有参考价值。     

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根据HL-2A装置改造的初步方案,选择优化的偏滤器位形所决定的参数,设计出可采取的偏滤器结构及水冷方式。外靶板和拱顶板上采用双剪切连接件和环向水路具有极向水流的冷却方式。通过ANSYS编码对靶板的热负荷进行分析,结果表明这样的冷却方式在降低流速要求的条件下可以提高靶板表面承载能力。     

偏滤器等离子体中杂质对钨壁材料的侵蚀模拟研究

偏滤器是托卡马克中与等离子体直接接触的部件,为了保证装置的寿命,需要尽可能地减小等离子体对偏滤器靶板的侵蚀.本文用粒子模拟的方法研究了不同等离子体温度情况下碳和铍两种杂质离子对钨偏滤器侵蚀速率的影响.模拟首先得到稳定的鞘层结构、入射到靶板的离子流和能流密度,并通过统计获得了入射离子的能量和角度分布,最终根据这些物理参量,采用经验公式计算出钨靶板的侵蚀速率.研究表明,在等离子体温度不太高的情况下,钨靶板的热侵蚀几乎不起作用,而由于杂质离子对钨的物理溅射阈值较低,并且会通过鞘层加速获得能量,因此其对钨壁材料的物理溅射是导致靶板侵蚀的主要原因,另外靶板材料的侵蚀速率随着等离子体温度升高以及杂质含量增大而急剧增大.     

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介绍了EAST超导托卡马克偏滤器的最新冷却模块结构。利用FLUENT有限元软件对不同参数下的模型进行了稳态热分析,定量研究了冷却模块换热能力随各参数的变化规律。针对EAST装置给出了初步优化的参数范围,为水冷钨铜偏滤器的设计制造提供了参考。这对于托卡马克装置及聚变堆偏滤器研究具有十分重要的意义。     

提高偏滤器排灰效率和减少氚投料量的探讨

实验表明,通过抽气孔栏和偏滤顺可以排除聚变堆中的氦灰。在孔样和偏滤器靶板上中性化后未被立即抽出的部分α粒子,能被偏滤器等离子体再电离并回流到剖离区（ＳＯＬ）,甚至再进入等离子体芯部。探讨了在聚变实验增残堆ＦＥＢ－Ｅ偏滤器室内用ＲＦ场有质动力势来阻止这部分α粒子的回流。计算表明,用ＲＦ场有质动力势能将这部分再电离的Ｈｅ＾＋离子反射回靶板,同时不妨碍从芯部来的α粒子到达靶板,而且能阻止一部分氚离子进入     

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主要针对偏滤器的单元结构进行了设计,重点研究了靶板表面结构的尺寸以及偏滤器靶板和拱顶两种水冷结构的几何参数、流动参数等对偏滤器结构和性能的影响。在此基础上,确定偏滤器单元结构设计和优化的指导原则,并针对偏滤器靶板和拱顶的水冷结构进行了高热负荷的热工水力试验,对偏滤器冷却结构的换热性能进行试验评估。最后,对偏滤器单元在热载荷、电磁载荷和机械载荷共同作用下的结构应力和安全性进行分析。     

钨偏滤器的单元结构设计以及相关实验研究

主要针对偏滤器的单元结构进行了设计,重点研究了靶板表面结构的尺寸以及偏滤器靶板和拱顶两种水冷结构的几何参数、流动参数等对偏滤器结构和性能的影响。在此基础上,确定偏滤器单元结构设计和优化的指导原则,并针对偏滤器靶板和拱顶的水冷结构进行了高热负荷的热工水力试验,对偏滤器冷却结构的换热性能进行试验评估。最后,对偏滤器单元在热载荷、电磁载荷和机械载荷共同作用下的结构应力和安全性进行分析。     

EAST新型下偏滤器冷却结构 传热性能数值模拟

为实现EAST装置超400s长脉冲高约束模、10MW加热功率下的稳态运行，需对现有的下碳偏滤器进行升级改造，拟采用钨串结极水冷却系统，热通量控制在水冷钨铜第一壁材料允许的稳态的10MW·m^-2。在对下钨偏滤器的冷却结极传热性能进行数值模拟仿真研究的基础上，研究了多种以钨串单元为基础的冷却结极，提出了一种新型下钨偏滤器水冷结极设计，幵建立了满足传热要求的EAST装置新型下钨偏滤器单元结构模型。     

EAST 钨偏滤器外靶板热工水力分析

为提高EAST 偏滤器的抗热载和排热能力,将偏滤器第一壁的材料由原来的石墨改为钨,在结构上,靶板采用了类ITER 的单块结构,支撑和冷却采用一体化的盒式结构。确定了EAST 钨偏滤器的冷却结构后,通过水管的流固耦合传热模型,分析了外靶板在紊流冷却方式下的散热情况。同时计算了在水冷系统失效的情况下,偏滤器外靶板的危险区域在3、5、8、10MW·m^-2 热流密度下的瞬态温度分布情况。结果表明,水流速度在4m·s^-1 时, 水管可以承受峰值功率10MW·m^-2 的热流密度,能够很好地满足EAST 装置运行的排热要求。     

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In order to improve the anti-thermal load and heat dissipation performance of the divertor of EAST, its first wall material is changed to tungsten from graphite. In the structure, outer target adopts the ITER-like monoblock, bracing and cooling structure adopts incorporate cassette. After establishing the cooling structure of EAST tungsten divertor, the flows-solid coupling heat conduction model of water-pipes is used to analyze the heat dissipation situation of outside target in the form of turbulent flow. While the cooling system comes to failure, a series of heat flux value 3MW·m^-2, 5MW·m^-2, 8MW·m^-2, 10MW·m^-2 are applied in the hazardous area to analyze transient conditions and real temperature distribution. The results shows that if the water flows at 4m·s^-1, the cooling pipes can withstand the heat flux with peak power in 10MW·m^-2. It can well meet the needs in heat dissipation of EAST experiment.     

ITER偏滤器朗缪尔探针的设计与研制进展

对ITER 偏滤器朗缪尔探针进行了物理需求分析和结构设计,确定了探针离偏滤器靶板瓦表面的高度范围。通过结构设计和模拟仿真,得到了探针在稳态热负载条件下的温度场分布和应力状况,探针的最高温度低于相应的偏滤器靶板瓦最高温度,探针各个部件的应力低于材料的屈服强度。同时对探针进行了加工工艺和连接工艺的探索研发,初步确定探针体和钨屏蔽结构选用锻造钨材料,而且使用锻造钨试制了探针体和钨屏蔽结构。探针体与钨屏蔽结构之间使用氧化铝陶瓷绝缘,并使用特殊的工艺连接探针体、陶瓷和钨屏蔽结构。     

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运用数值模拟程序B2.5-EIRENE对偏滤器进行了概念设计和优化,通过优化偏滤器靶板的几何结构影响中性粒子的再循环和热沉积面积,继而影响偏滤器靶板上沉积的热负载。通过对两种偏滤器靶板的几何结构的模拟,重点分析了偏滤器靶板上沉积的热负载,靶板上沉积的总热通量和电子、离子热沉积分布,以及真空室第一壁上电子、离子和总热沉积分布等参数。     

HL-2M 偏滤器超汽化结构冷却性能研究

利用 ANSYS CFX 分析软件对 HL-2M 偏滤器超汽化结构模块方案进行了热工水力分析。研究结果 表明：在流道高度为 6mm 时,翅片高度为 3mm、厚度为 4mm 的超汽化结构排热能力最佳。当超汽化结构偏滤 器表面热流密度为 10MW·m^-2 时,靶板表面最大温度小于 700℃,热沉最大温度小于 300℃,满足排热能力需求和材料许用范围。     

HL-2M装置常规偏滤器与雪花减偏滤器热工水力分析对比

采用SOLPS程序模拟预测HL-2M装置常规和雪花减偏滤器靶板上的热通量。当流入边缘等离子体区域的热功率约为10MW时,利用CFX/ANSYS软件分析这两类偏滤器各结构、冷却水温度分布及形变和热应力分布情况。结果表明:等离子体总功率相同,雪花减偏滤器靶板上的最高温度比常规偏滤器低169℃;雪花减偏滤器结构所承受的最大热应力和形变比常规偏滤器低约3/7。不改变热负载剖面分布,按一定比例提升热流密度或延长放电时间,雪花减偏滤器体现出比常规偏滤器靶板温升低、冷却水温均衡等优点。因此,雪花减偏滤器能处理更多流进偏滤器区域的热能,有效地降低偏滤器工程设计要求。