聚变堆第一壁连续W/Cu 梯度材料的热工性能优化

针对不同体积分布指数p的W/Cu连续功能梯度材料的偏滤器第一壁结构,采用有限元软件计算了 8MW•m⁻²稳态运行热加载以及等离子体破裂条件下1GW•m⁻²热流冲击下的力学响应。相同稳态加载条件下,W/Cu 连续功能梯度材料的最优分布指数与分层梯度材料存在较大差异,其最优等效应力比分层梯度材料要小26%,表现出更优异的性能。在热冲击响应过程中,连续梯度W/Cu材料塑性损伤随p值不同也存在较大变化,其最优p值与其稳态运行时热应力最优p值存在一定差异,从第一壁应用条件考虑,应综合选取,最佳p值在1.2附近。综合来看,连续梯度W/Cu材料具有更连续变化的热物理属性及力学性能,在聚变堆第一壁结构设计中具有更大的应用潜力。     

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介绍了目前解决W/Cu连接界面缓解热应力的方法——添加适配层。在对不同适配层进行分析后,选出最佳W/Cu适配层,再对W/Cu适配层进行结构优化分析,得出选用W/Cu功能梯度材料作为适配层具有足够的结合强度,而且良好的导热性能能有效地缓解热应力。此外,重点阐述了目前成功的制备的W/Cu功能梯度材料用作W/Cu第一壁材料的适配层的常用方法。最后,对W/Cu功能梯度材料用作适配层解决W/Cu第一壁材料连接界面的问题做出了总结和展望。     

W/Fe/CuCrZr热等静压模块组织及性能分析

为实现面向等离子体材料钨(W)和热沉材料铜铬镐(CuCrZr)合金的可靠连接,对纯铁(Fe)作为W/CuCrZr合金热等静压连接中间层的可行性进行了探索性研究.在850℃/150MPa/135min的热等静压参数下制作了W/Fe/CuCrZr合金的实验模块,分别对连接界面进行了焊接界面、微观形貌、组织成分及剪切力学性能...     

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采用了两步热等静压法制备W/Cu 穿管部件,即先用热等静压(930℃,100MPa,2h)在钨块的孔内壁上覆一层无氧铜作为中间层,然后再用热等静压工艺(600℃,100MPa,2h)把W/Cu 复合块与CuCrZr 管串接起来。经过高热负荷辐照测试,部件经受住了1000 次10MW•m−2 高热负荷的辐照,满足使用要求。     

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用ANSYS有限元软件计算了等离子体破裂时真空室上的涡流、电磁力和应力。有限元模型包含了基本的第一壁部件,以更加准确地研究真空室在瞬态电磁力作用下的结构强度。结果表明,高场侧靶板和内靶板带给真空室较大瞬时应力,但真空室的结构强度仍然满足强度要求。分析可校核和改进第一壁部件的结构设计。     

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建立了主动式内热源激励的红外无损检测平台,并进行了不同缺陷大小的EAST W/Cu面向等离子体部件(PFC)的无损检测实验(NDT),得到试件表面的红外热图。通过最大温差值融合法消除由试件表面发射率不均匀引起的温度误差,通过快速离散傅里叶变换法提高了图像的信噪比,实现了对W/Cu面向等离子体部件缺陷的分辨。通过数值模拟的手段对可能影响该检测技术的关键因素进行了定量分析。     

层流与湍流等离子体冲击射流特性比较

本文采用数值模拟方法,对层流与湍流氩等离子体射流在空气环境中冲击平板时的流动与传热特性进行了对比研究.结果表明,在平板和射流进口间的距离较大时,平板的存在只对其附近的射流参数分布有较大影响,层流等离子体冲击射流的温度与轴向速度的轴向梯度明显小于湍流等离子体冲击射流情形;由于在平板表面形成的径向壁面射流对引射的附加贡献,层流和湍流等离子体冲击射流对环境空气的引射量明显增加.     

红外无损检测在面向等离子体部件检测的应用

建立了主动式内热源激励的红外无损检测平台,并进行了不同缺陷大小的EAST W/Cu 面向等离子体部件(PFC)的无损检测实验(NDT),得到试件表面的红外热图。通过最大温差值融合法消除由试件表面发射率不均匀引起的温度误差,通过快速离散傅里叶变换法提高了图像的信噪比,实现了对W/Cu 面向等离子体部件缺陷的分辨。通过数值模拟的手段对可能影响该检测技术的关键因素进行了定量分析。     

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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.     

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为了分析ITER第一壁模块试制过程中Be/Cu界面经热等静压扩散连接后出现的不可接受的大尺寸缺陷,对Be/Cu连接失效的模块进行了破坏性试验.首先采用线切割对模块进行解剖,并对连接界面缺陷区域及非缺陷区域通过金相观察、SEM观察及能谱分析进行对比,初步确定了界面连接的失效机理.     

含空腔的功能梯度声学覆盖层水下吸声特性

针对传统的声学覆盖层吸声频带窄的问题,基于功能梯度材料的特点提出了一种含空腔结构的水下功能梯度声学覆盖层结构,引入梯度有限元法建立了功能梯度型声学覆盖层的水下声学计算模型,研究了功能梯度声学覆盖层结构的水下吸声特性。与传统的功能梯度结构声学建模方法相比,在保证计算精度和计算效率的基础上,文中所建立的功能梯度结构声学计算模型可适用于更复杂的功能梯度声学结构声学性能评估。研究结果表明,功能梯度声学覆盖层能够有效改善中高频段的吸声性能,获得较好的宽频吸声效果。此外,空腔形状采用锥型空腔结构或者组合型空腔结构可以有效地拓宽功能梯度声学覆盖层的吸声频带。     

运用功能梯度结构降低大功率激光系统中镜面热变形的数值分析

 提出一种运用功能梯度结构以有效降低大功率激光系统中镜子温度和镜面热变形以及减缓热应力的新方法。讨论了环形分布和高斯分布2种类型的激光源。有限元分析结果表明,通过这种方法可使硅镜和铜镜的表面热变形成倍降低,并且还能同时显著降低镜体温度。讨论了代表热学和力学性质的函数表达式的斜率对镜面热变形的影响,研究表明：功能梯度结构的热物理对镜面形变产生重大影响,而力学性质对镜面形变的影响非常小。该结论可为具有该功能梯度结构的镜子优化设计和制造提供参考。     

ITER第一壁铍铜连接部件在高热负荷作用下的热性能分析

对ITER屏蔽包层第一壁板铍铜连接件在高热负荷作用下的传热性能进行了分析,模拟了第一壁铍铜连接手指部件的热应力和热应变,得到其对应的热疲劳寿命.计算结果表明,在局部4.7MW?m-2高热负荷作用和ITER水冷条件下,现有设计方案中的铍铜连接件的热性能和热疲劳性能均满足设计要求.