FEB-E脱靶等离子体偏滤器的数值模拟

为了提高ＦＥＢ－Ｅ偏滤器的杂质控制和增加ＦＥＢ－Ｅ偏滤器处离子与中性气体的相互作用,用喷 气和杂质注入的方法设计了动态气全靶偏滤器。高约束Ｈ模拟态下的脱靶等离子体沿删削层（ＳＯＬ）磁力线有大的辐射功率份额（５０％￣８０％）和大的等离子体压力下降（９０％）。偏滤器上等离子体压降系数用ＳＯＬ的两点输运模型和辐射模型估算。结果显示,压降系数不仅与辐射功率份额有关,而且与ＳＯＬ驻点密度紧密相连。     

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。     

边界局域模对EAST钨偏滤器靶板腐蚀程度的数值模拟研究

在高约束模式下发生的边界局域模会释放高能量等离子体,其中主要部分会辐照到面积相对较小的偏滤器靶板,偏滤器钨靶板发生热腐蚀的可能性最大.本文建立了包括了熔化、汽化和热辐射效应的一维热传导模型,采用数值模拟的方法,研究了EAST未来偏滤器钨靶板在边界局域模作用下的热腐蚀程度.根据现有的边界局域模热流数据和多种未来可能的高能量边界局域模热流数据,计算了钨靶板的表面温度分布.结果显示当前的第一类边界局域模作用在钨靶板上,在高约束模式运行时间取32 s情况下,靶板表面温度从350 K增加到373 K,表明在当前的参数范围内,只要避免其他更严重的瞬时事件如破裂的发生,边界局域模还不会带来严重的威胁;如果边界局域模的能量增加到接近未来托卡马克边界局域模的能量范围1 MJ/m2,沉积时间为600μs,表面最大熔化厚度将达到6.8—6.9μm.     

边界局域模引起钨偏滤器靶板侵蚀和形貌变化的数值模拟研究

钨材料在高瞬时热流作用下的熔化、流动是国际热核聚变实验堆面壁材料最突出的问题.本文将热传导方程与Navier-Stokes方程结合,建立了二维流体动力学模型,研究在边界局域模(ELM)强热流轰击下,钨熔化层在表面张力、压强梯度力、磁场力等作用下的流动,以及偏滤器靶板的侵蚀和形貌演化.结果表明,在ELM过程中,熔化层中的液体不断地向边缘区域流动,在打击点区域形成一个熔池,在熔化层的边缘区域形成类似山峰结构的凸起,加重了钨偏滤器靶板的侵蚀.在空间分布为高斯形状入射能流的作用下,钨熔化层两侧的山峰结构是对称的;当能流密度小于3000 MW·m~(-2)时,表面张力对熔化层的流动起主要作用.本文在模型的数值求解中,采用交错网格的方法进行离散,克服了液体表面追踪的算法难点,保证了钨偏滤器靶板侵蚀程度计算的准确性.     

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.     

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。     

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。     

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...     

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。     

偏滤器微纳表面冷却通道的过冷流动沸腾数值模拟

为模拟偏滤器水冷模块微纳米结构化表面的传热特性,结合微纳表面可视化微观观察实验数据,在现有气泡参数模型的基础上,对接触角、气泡脱离直径、气泡脱离频率、汽化核心密度等参数模型进行修改,提出可模拟微纳表面过冷流动沸腾传热效果的计算模型。用该模型对压力为4MPa、速度为10m·s-1、进口温度为423K的偏滤器水冷结构中的过冷流动沸腾进行计算,得到常规水冷通道与微纳表面水冷通道各结构的温度与气相体积分布。计算结果表明,微纳表面的平均传热系数提高约一倍;在无氧铜与铬锆铜的许用温度范围内,微纳表面通道偏滤器承受的稳态热流密度可达14MW·m-2。     

相变材料模拟金属构件热特性的数值研究

通过理论分析和数值计算论证了用相变材料模拟多种常用金属构件热特性的可行性.利用相变材料模拟了厚度分别为20 mm,30 mm,50 mm和100 mm的金属板材,发现在模拟较厚的金属板材时,相变材料的低导热系数对模拟效果产生了不利影响.在此基础上,利用导热系数增强的相变材料对厚度大于100 mm金属板材进行模拟,取得了较好的模拟效果.并利用相变材料模拟了金属构件轮和管的热特性.     

开放型偏滤器平衡位形的数值计算

本文叙述自由边界环形等离子体MHD平衡崔序SWEQU的数值计算方法,并用该程序计算了开放型偏滤器平衡位形及相应的极向场线圈电流的配置。     

多喷嘴氦冷偏滤器的优化与分析

利用ANSYS/CFX对聚变堆氦冷多喷嘴冷却偏滤器模块在相同高热负荷条件但不同冷却条件下进行了有限元数值分析,得到了偏滤器冷却单元的温度和换热系数分布图,将该温度场作为结构力学分析的加载条件,利用ANSYS/Mechanical对冷却模块进行了稳态条件下的结构应力分析,得到了具有不同结构参数的偏滤器模块的应力分布。通过分析各结构参数对偏滤器模型的热应力的影响,对结构参数进行筛选,得到内应力相对较低的结构设计,从而优化多喷嘴氦冷偏滤器结构。     

CFETR不同位置充气下的辐射偏滤器模拟研究

利用边缘等离子体数值模拟程序SOLPS对氩杂质注入下中国聚变工程试验堆装置辐射偏滤器运行模式进行了模拟研究。在达到相同的总辐射功率(P_rad～170MW)时,四种不同充气方案下(从上游充入氘氩混合气体,从外偏滤器充入氘氩混合气体,从内偏滤器充入氘氩混合气体,从上游充入氘气的同时从外偏滤器充入氩气)在外中平面的模拟区域内边界(ρ=0.9)处的有效离子电荷数Z_eff分别为2.8、3.1、3.4、2.7。模拟结果与DⅢ-D及C-MOD的实验结论一致。当从上游充入氘气时,可以增强刮削层中的本底等离子体流,从而得到相对更好的杂质屏蔽效果;同时由于偏滤器靶板再循环杂质源占主导作用,注入氩气的位置对于模拟结果影响不大。     

HL-2M偏滤器的综合模拟技术初步研究

利用SOLPS和DINA程序,对偏滤器的数值模拟进行综合研究。结合HL-2M装置,针对偏滤器的结构优化、脱靶物理过程、偏滤器送气与抽气、垂直位移事件(VDE)等问题进行了模拟研究。分析了偏滤器靶板位形以及脱靶对偏滤器靶板热载荷的影响,研究了偏滤器的送气位置、送气速率、抽气速率等因素对于偏滤器性能的影响;同时,利用DINA程序对HL-2M装置的VDE过程进行了预测分析,并给出了HL-2M装置发生VDE过程的等离子体电流剖面变化,从而为HL-2M装置的偏滤器结构设计和分析提供输入数据。     

CFETR偏滤器模块远程操作支撑结构设计与仿真分析

根据远程操作的要求,研究了适合CFETR偏滤器模块远程操作的内外支撑结构设计：内支撑是球形结构,外支撑是齿轮齿条结构,即齿轮齿条设计方案。在虚拟环境中将设计的支撑结构进行了仿真,验证了该结构在安装过程中的可行性。结果表明,所设计的齿轮齿条方案能满足CFETR偏滤器模块的远程操作要求,在该支撑的作用下,偏滤器模块在真空室里能够被固定约束住。     

CFETR偏滤器模块远程操作支撑结构设计与仿真分析

根据远程操作的要求,研究了适合CFETR偏滤器模块远程操作的内外支撑结构设计:内支撑是球形结构,外支撑是齿轮齿条结构,即齿轮齿条设计方案。在虚拟环境中将设计的支撑结构进行了仿真,验证了该结构在安装过程中的可行性。结果表明,所设计的齿轮齿条方案能满足CFETR偏滤器模块的远程操作要求,在该支撑的作用下,偏滤器模块在真空室里能够被固定约束住。