ITER第一壁铍-铜界面缺陷的热应力及弹塑性结构分析

为保障第一壁板铍/铜连接的性能满足ITER运行要求,需通过高热负荷疲劳试验评估缺陷的影响,确定可接受的缺陷尺寸、形状、位置等。针对该试验用增强热负荷(EHF)第一壁小模块,通过温度场及弹塑性结构分析,研究试验工况下铍/铜界面预制人工缺陷对模块性能的影响。分析结果表明,缺陷位置和尺寸都会对缺陷附近的弹塑性应变产生直接影响,从而影响模块的热疲劳性能;缺陷越大,影响范围越大;边缘型缺陷的影响远大于中心位置缺陷。     

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根据ITER电流引线的要求,设计和试验了分别由全铍铜(Be2%Cu)、全不锈钢(SS)和二元金属(BeCu/SS)三种不同类型分流器制作的68kA电流引线的1/90试件。研究了超导段各组件的性能,详细讨论了失冷故障实验结果。结果表明,对比全铍铜和全不锈钢分流器,二元分流器制作的超导模件更能够提高安全性以及减小冷端漏热,满足ITER高安全性和低热负荷的要求。     

Be与CuCrZr热等静压扩散连接技术

铍具有与等离子体良好的适应性，Be护甲与Cu合：金热沉积层采用热等静压（HIP）或钎焊技术制备的连接件在热核聚变反应堆（ITER）的设计中被作为屏蔽包层第一壁及通道限幅器等面向等离子体元件的主要组成部分。因此，Be／Cu合金的连接技术研究是受控核聚变工程技术基础中一个非常重要的课题。     

ITER第一壁模块Be/Cu连接界面的热疲劳损伤分析

采用热等静压扩散连接技术并通过添加Ti/Cu中间过渡层实现了Be与CuCrZr合金之间的可靠连接,所制作的ITER第一壁小模块已通过高热负荷疲劳试验。对试验后的小模块进行了超声波无损探伤,发现界面多处存在大尺寸缺陷。介绍了高热负荷疲劳试验后模块的破坏性检测与分析,结合对缺陷界面的金相观察、SEM观察及EDS分析方法,确定了缺陷形成的主要原因。     

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采用热等静压扩散连接技术并通过添加Ti/Cu中间过渡层实现了Be与CuCrZr合金之间的可靠连接,所制作的ITER第一壁小模块已通过高热负荷疲劳试验.对试验后的小模块进行了超声波无损探伤,发现界面多处存在大尺寸缺陷.介绍了高热负荷疲劳试验后模块的破坏性检测与分析,结合对缺陷界面的金相观察、SEM观察及EDS分析方法,确定了缺陷形成的主要原因.     

ITER第一壁认证模块研制

铍与铜合金的连接是ITER屏蔽包层第一壁（FW）制造中最具挑战性的关键技术。热等静压（HIP）扩散连接是实现第一壁板材料之间连接的最佳方法之一。鉴于ITER第一壁板的制造难度,ITER国际组织（IO）要求对其制作技术进行认证。     

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。     

边缘局域模热流冲击下偏滤器铜夹层疲劳行为的数值模拟

采用有限元方法对偏滤器单块铜夹层在高热通量(HHF)和边缘局域模(ELMs)叠加载荷条件下的热力响应和热疲劳行为展开了细致的数值模拟，结果表明：(1) ELMs 瞬态热冲击引起的铜夹层损伤将与HHF 载荷引起的损伤相耦合；(2) 在HHF 和ELMs 叠加载荷作用下，夹层的疲劳寿命不断下降，下降的幅度随着ELMs 峰值和时均热流密度的增加而非线性增大；(3) 夹层疲劳寿命的缩短对ELMs 峰值热流密度和频率更为敏感。     

ITER超导纵场线圈内馈线系统传热分析

ITER超导纵场线圈内馈线系统位于主机杜瓦内,由18个盒体分别悬挂于相应纵场磁体终端,通过连接件组成多边形环。通过对内馈线在整个装置降温收缩过程的分析,采用有限元分析法对内馈线稳态及瞬态温度场进行数值模拟,得到内馈线的热负荷值、温度分布、温度及变形的时间历程曲线,为内馈线冷却方案的确定和降温时间的预测等提供了可靠验证。     

ITER偏滤器钨/铜穿管模块的高热负荷测试及事后分析

对ITER偏滤器钨/铜穿管模块进行了高热负荷测试。测试结果表明,所有的模块都成功承受住了热负荷测试并满足了IO的要求。在高热负荷测试后,对模块进行了事后分析。发现了钨的纵向开裂和Cu/CuCrZr界面的开焊现象。断口的SEM图像表明,钨的开裂方式为脆性的沿晶开裂。通过金相学分析,发现了钨的再结晶现象和钨表面的再结晶深度。还通过有限元分析软件模拟得到了模块的温度分布,并且与实验观察的再结晶现象能够很好的对应。     

ITER第一壁实验件的铍-铜连接界面分析

在ITER第一壁实验件的研究中,采用热等静压扩散连接技术对Be与CuCrZr合金进行连接实验,对完成扩散连接的部分连接件采用退火处理。对所有连接件进行超声波无损探伤后,检测到未退火的连接件Be/Cu连接界面存在缺陷。为分析扩散界面缺陷产生原因,从连接件的无缺陷区取样并进行界面微观分析。通过观察微观形貌和分析界面扩散层合金元素的变化,发现退火处理过的Be-Cu扩散界面的Cu-Ti扩散层和未扩散的Ti层厚度增加,中间层中Be与Cu元素形成脆性相的几率降低,整个扩散层厚度变大,扩散范围加大。实验表明退火工艺能改变Be/Cu热等静压扩散层连接结构组成,扩大扩散连接范围。     

High Heat Flux Tests of Small-scale Be/Cu Mock-ups for ITER

High temperature HIP joining technology of Be/CuCrZr alloy or DS-Cu has been applied by Europe and Japan for the frabrication of ITER first wall. At the first stage of our research, high temperature HIP joining of Be/CuCrZr alloy was investigated by referencing their successful experience and Ti was selected as interlayer. Since the first wall will receive high heat flux during ITER operation, the heat load resistance capabilities, in particular thermal fatigue property is a crucial criterion of FW mock-ups. In order to test the heat load resistance capabilities of Be/CuCrZr joints, an electron beam heat load facility with beryllium handling capability has been constructed and heat removal performances and thermal cycling tests of Be/CuCrZr joints were carried out.     

HL-2M装置雪花减偏滤器热疲劳分析

利用SOLPS软件,采用有限元数值计算方法,模拟计算了HL-2M装置雪花减偏滤器靶板上热负载分布,分析了偏滤器温度及热应力分布,并使用ITER内部器件设计评判标准对HL-2M偏滤器结构进行热疲劳寿命的评估。结果表明,在低周循环下靶板大部分区域不会经历严重的塑性疲劳,但距离外侧抽气口4mm位置拱顶区域循环寿命约为1963次。模拟结果对HL-2M装置偏滤器设计具有一定参考意义。     

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With the finite element software, comprehensive numerical simulations on thermal/mechanical response and fatigue behaviors of divertor monoblock Cu interlayer under combined loads of high heat flux (HHF) and edge localized modes (ELMs) were conducted. The results show that: (1) the plastic damages induced by transient heat shock of ELMs will be coupled with damage by HHF loads in interlayer of copper; (2) under the combined loads of HHF and ELMs, the fatigue life of the interlayer continues to decrease and the magnitude of the decrease is nonlinearly increased with the peak and time-averaged heat flux of the ELMs; (3) the fatigue life reduction of the interlayer more sensitive to the peak heat flux and frequency of ELMs under the same time-averaged heat flux conditions.     

ITER极向场馈线系统冷屏初步设计

ITER极向场馈线系统采用冷屏以降低4K温区低温部件的热负荷。该文对极向场馈线冷屏的初步设计进行介绍,并计算了冷屏的热负荷。     

HL-2M偏滤器CFC/CuCrZr靶板的非晶钎焊工艺研究

在采用商用的STEMET-1101非晶钎料、温度为710~750°C的真空钎焊下,对CFC/OFC(氯氟烃/无氧铜)复合块与CuCrZr(铬锆铜)的钎焊进行了研究。首先,通过X-射线衍射(XRD)和差式扫描量热分析对钎料的结构和熔化行为进行了表征;然后,通过光学显微镜、电子探针微分析和拉伸试验等方法对焊缝的组织形貌、元素成分分布、相结构和力学性能进行了分析;最后,通过高热负荷装置对CFC/OFC/CuCrZr钎焊模块的热疲劳性能进行测试。结果表明,在710~750°C钎焊温度内焊缝由Cu固溶体、(Cu, Ni)3P和Ni(Cu ,Cr)2P金属间化合物组成,焊缝平整无裂纹;特别是在750°C/15min情况下,抑制了焊缝金属间化合物的连续分布,OFC/CuCrZr的焊接强度大于OFC的抗拉强度,CuCrZr/CuCrZr的结合强度为210MPa,并呈现部分韧性断裂。在750°C/15min情况下制备的CFC/Cu/CuCrZr模块可以承受1000次7MW·m^-2的循环热负荷。