氚增殖剂球床内氦气流动特性的数值模拟

通过计算流体力学(CFD)数值模拟方法,对氚增殖剂球床内部的氦气流动特性进行了初步研究。分析了球床流通长度和流通截面对提氚气体压降的影响,获得了不同入口流速下规则堆积球床和随机堆积球床的压降和阻力系数。      

包层氚增殖球床不同装载方案的有效热导率研究

针对聚变堆固态包层的产氚载体中锂陶瓷颗粒组成的氚增殖球床,建立了基于离散元-计算流体力学(DEM-CFD)方法的球床传热分析模型,进行了离散元(DEM)几何模型有效性验证、网格敏感性分析和计算流体力学(CFD)传热模型有效性验证.用该模型模拟计算了粒径分布球床、不同粒径的一元球床、二元球床的有效热导率,研究了相同填充率...     

ITER中国氦冷固态氚增殖剂实验包层模块中子学设计

实验包层模块（Test Blanket Module，TBM）是将在ITER装置上进行实验的关键部件，它放在ITER装置中子流强最高、热流密度最大的赤道面位置，直接面对等离子体。TBM是为将来发展DEMO聚变堆包层技术而进行模拟和测试未来聚变电站相关材料和技术的重要实验平台。     

固态氚增殖包层中球床堆积性能研究

基于球床堆积实验和离散元数值模拟对包层中球床的堆积性能做了初步研究。圆柱形一元(单尺寸颗粒)球床的堆积性能的结果显示随着球床直径与颗粒直径比的增大,球床的平均堆积因子逐渐增高,实验与模拟结果一致;采用二元颗粒(双尺寸颗粒)、提高颗粒粒度比可以显著提高球床的堆积因子,二元球床的堆积因子随着大颗粒体积分数的增加先增加后减小,在大颗粒体积分数约为60%~80%时达到最大。优化了二元球床的填充工艺,最终二元球床的堆积因子基本达到0.8,但球床的均匀性欠佳。     

硅酸锂球床等效导热率研究

基于计算流体力学(CFD)方法,结合国际热核实验反应堆(ITER)中实际使用的设计参数,对硅酸锂球床的传热特性进行了流固耦合传热分析,给出了多种工况下的热工水力结果。同时将用CFD得到的球床区域等效导热系数与相关实验的结果进行了比较。     

随机填充增殖剂球床内载气流动特性数值模拟

固态氚增殖包层是聚变堆及聚变-裂变混合堆产氚包层的重要候选结构之一,其球床通道内载气流动特性将影响氚提取效率。利用离散元方法(DEM)生成随机填充增殖剂球床,通过径向孔隙率分布验证其合理性,计算流体力学(CFD)模拟计算其通道内气体流场特征。模拟得到:球床内吹扫氦气流速随孔隙率波动并随入口流速增大而均匀增大,通道内氦气流向及流速变化显著,Blake-Kozeny方程可良好预测该随机填充球床通道压降。     

随机填充增殖剂球床内载气流动特性数值模拟

固态氚增殖包层是聚变堆及聚变-裂变混合堆产氚包层的重要候选结构之一,其球床通道内载气流动特性将影响氚提取效率。利用离散元方法（DEM）生成随机填充增殖剂球床,通过径向孔隙率分布验证其合理性,计算流体力学（CFD）模拟计算其通道内气体流场特征。模拟得到：球床内吹扫氦气流速随孔隙率波动并随入口流速增大而均匀增大,通道内氦气流向及流速变化显著,Blake-Kozeny方程可良好预测该随机填充球床通道压降。     

产氚锂陶瓷微球

聚变能源的开发是解决人类能源危机的重要途径之一,包层产氚是实现聚变能源的核心技术,特别是在目前的国际ITER合作计划中明确指出,各ITER参与国将提供自行设计加工的产氚包层参加ITER实验。产氚材料作为重要的一种包层材料,在产氚实验包层的设计、研发中具有重要作用。中国固态TBM产氚实验包层设计初步选择Li4SiO4陶瓷微球作为首选氚增殖剂,Li2TiO3及其他性能优异的锂陶瓷作为候选材料。     

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Based on the CFD software platform FLUENT, three-dimensional numerical simulation was carried out for thermal hydraulics characteristics of the breeder zone pebble bed for China helium cooled ceramic breeder-test blanket module (HCCB-TBM). According the actual operating conditions of ITER, such as the nuclear heat distributions in the breeder zone and structure wall, the inlet velocities and temperatures of purge gas helium and coolant helium, the flow field and heat transfer characteristics of the purge gas helium carrying the tritium flowing over the lithium silicate pebble bed were obtained, and the temperature distribution and pressure drop were presented as well. The calculation results show that the permutation mode of the lithium silicate spheres in the pebble bed have an influence on the flow field and the maximum temperature of the pebble-bed. The maximum temperature of the pebble-bed and the structure wall does not exceed the designed temperature under the ITER operating conditions. The results will be benefit for the design verification of the breeder zone thermal hydraulics scheme and improving the following experiments of the purge gas.     

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为进一步优化实验包层模块的热工水力性能,分别研究了实验包层模块的两种不同冷却方案在正常和极端两种不同工况下的温度分布。用流体数值分析软件FLUENT模拟了实验包层模块关键部件的实际温度分布状况。     

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通过离散元法初步模拟了微球在重力作用下的堆积行为,并分析了氚增殖区Li4SiO4球床的局部堆积结构.研究结果表明,摩擦系数和恢复系数对球床最终堆积结构有很大的影响.当摩擦系数较小时,摩擦系数对球床堆积结构的影响起主要作用;当摩擦系数较大时,恢复系数对球床堆积结构的影响起主要作用.球形颗粒从靠近壁面处的规则分布逐渐过渡到内部区域的均匀随机分布.球床局部堆积因子表现出了明显的壁面效应,其分布随着微球到壁面距离的增加而呈现出振幅逐渐减小的振荡趋势.所得到的球床堆积结构信息可用于研究球床传热特性和提氚气体流动特性的随机堆积球床模型的建立.     

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在ITER试验包层模块HC-SB TBM结构设计和热工计算分析的基础上,对包层模块中的重要部件第一壁做了优化分析。利用有限元分析软件ANSYS的可编程命令流模式,对HC-SB TBM第一壁前壁进行了温度和应力的数值模拟,在满足结构材料的许用温度和应力的前提下,给出了第一壁前壁的最佳设计方案。     

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给出了中国ITER氦冷固体增殖剂(HCSB)实验包层模块(TBM)整体结构的初步设计。结构设计方案以低活性铁素体钢(RAFS)为结构材料,稳定性极好的惰性氦气作为冷却剂,陶瓷硅酸锂小球为氚增殖材料。包层结构的设计特点是,采用模块化的设计方案,从而提高了包层的可靠性和安全性。