聚變氦冷固態(tài)包層多場(chǎng)耦合仿真平臺(tái)開發(fā)及第一壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、核熱聚變堆是解決人類能源問題的一個(gè)重要研究方向，對(duì)熱核聚變的可行性研究在近年一直是能源科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。一方面，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃正在加緊進(jìn)入工程階段，為了驗(yàn)證長(zhǎng)時(shí)間可控的熱核聚變技術(shù)的可行性，各國(guó)科研人員正積極地進(jìn)行研究。與此同時(shí)，多個(gè)國(guó)家也正在為本國(guó)的聚變演示堆進(jìn)行獨(dú)立的概念設(shè)計(jì)，以便為未來(lái)本國(guó)的熱核聚變研究進(jìn)行技術(shù)和人才儲(chǔ)備。無(wú)論是在ITER實(shí)驗(yàn)堆還是DEMO商業(yè)堆中，氚增殖包層都是一個(gè)必不可少的重要部件，因?yàn)闊岷司圩円荛L(zhǎng)

2、時(shí)間運(yùn)行，必須要完成氚這種自然界稀缺燃料的自產(chǎn)自銷。因此，對(duì)氚增殖包層的研究設(shè)計(jì)，成了熱核聚變研究中非常重要的一環(huán)，而一個(gè)能夠完成氚增殖包層整個(gè)工作過(guò)程模擬仿真的計(jì)算平臺(tái)也就有了研究的意義。
　　本文應(yīng)用蒙特卡洛程序和熱工水力模擬程序開發(fā)了一個(gè)氦冷固態(tài)包層多場(chǎng)耦合計(jì)算平臺(tái)，用以模擬分析包層復(fù)雜流道的中子學(xué)性能和傳熱特性，通過(guò)計(jì)算分析為包層的合理設(shè)計(jì)和安全分析提出科學(xué)依據(jù)。包層計(jì)算平臺(tái)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)用戶輸入的模型數(shù)據(jù)自動(dòng)完成中

3、子學(xué)計(jì)算的分區(qū)工作，并完成中子學(xué)計(jì)算、有限元計(jì)算和計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算之間的數(shù)據(jù)傳遞。通過(guò)兩個(gè)驗(yàn)證計(jì)算方案對(duì)包層計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行校正，對(duì)其中方案1使用的模型來(lái)源于中國(guó)TBM氦冷固態(tài)包層2007版本的第一壁，軟件平臺(tái)計(jì)算結(jié)果與計(jì)算方案1模型設(shè)計(jì)報(bào)告的計(jì)算結(jié)果偏差在5％以內(nèi)。方案2的計(jì)算模型來(lái)自于本課題為了驗(yàn)證計(jì)算平臺(tái)可靠性搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停冒鼘玉詈嫌?jì)算平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大偏差為9.5%，平均偏差小于5%，

4、這說(shuō)明軟件計(jì)算平臺(tái)的熱工計(jì)算結(jié)果基本可信，該計(jì)算平臺(tái)能夠用于包層模型的熱工性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化中。
　　在包層多場(chǎng)耦合計(jì)算平臺(tái)中開展了第一壁與子模塊的計(jì)算模型建立工作，并在模型中進(jìn)行了中子學(xué)計(jì)算和熱工水力計(jì)算，得到了包層第一壁三維模型的中子學(xué)數(shù)據(jù)和熱工數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果顯示，第一壁的最高溫度區(qū)域依然集中在面對(duì)等離子體的壁面上，第一壁冷卻劑的出口溫度為380℃。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析后得出結(jié)論，包層結(jié)構(gòu)尚有進(jìn)行優(yōu)化的空間。
　　運(yùn)用多場(chǎng)

5、耦合計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行了包層整體熱工分析并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的整體固態(tài)包層第一壁模擬分析，優(yōu)化調(diào)整了包層第一壁的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)對(duì)鈹防護(hù)層厚度、冷卻通道中心距等包層第一壁參數(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化，達(dá)到了減少包層第一壁熱負(fù)荷和熱應(yīng)力的目的。
　　根據(jù)現(xiàn)有傳熱強(qiáng)化技術(shù)，提出了兩個(gè)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，對(duì)包層第一壁流道進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。改進(jìn)方案1采取的思路是減小流道局部的流通截面積，增大相應(yīng)流道處氦氣的局部流動(dòng)速度，改進(jìn)方案2對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行流動(dòng)傳熱模擬