CFETR集成設(shè)計平臺偏濾器模塊搭建及第一壁優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、偏濾器是托卡馬克裝置的重要組成部分之一，承擔著排熱排灰和粒子濃度控制的重任。其運行環(huán)境嚴峻，承受高熱負荷和中子輻照損傷，是未來聚變堆設(shè)計的重要內(nèi)容。偏濾器設(shè)計模塊也因此成為正在建設(shè)的CFETR集成設(shè)計平臺的重要組成部分。本文首先根據(jù)偏濾器的設(shè)計流程，搭建了CFETR集成設(shè)計平臺偏濾器模塊，然后以ITER偏濾器第一壁結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，開展了針對第二階段中子輻照和熱負荷的偏濾器第一壁結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，并對不同熱負荷下的結(jié)構(gòu)疲勞壽命進行了評估。

2、>　　CFETR第二階段運行功率約1GW，中子輻照損傷最高可達50dpa/y。這就要求偏濾器第一壁的結(jié)構(gòu)材料活化特性低并且抗中子輻照損傷能力強，如低活化鋼。偏濾器靶板區(qū)域由于結(jié)構(gòu)屏蔽作用，輻照強度低，而擋板和DOME板區(qū)域直接暴露在中心等離子體輻射范圍，輻照強度高。以運行功率為1.8GW的DEMO堆為例，偏濾器靶板熱沉區(qū)域輻照損傷低于2dpa/y，擋板和DOME熱沉上輻照損傷則在5dpa/y左右。偏濾器第一壁上的熱負荷也呈現(xiàn)不均勻特性，

3、熱負荷主要集中在靶板區(qū)域。以運行功率為500MW的ITER為例，在脫靶情況下，偏濾器第一壁靶板區(qū)域峰值熱負荷約為10 MW/m2，擋板區(qū)域則為1～5MW/m2。
　　低活化鋼的導(dǎo)熱性能不如鉻鋯銅，運用在偏濾器靶板區(qū)域，可能導(dǎo)致熱應(yīng)力過大。本文采用不同熱沉材料的偏濾器第一壁結(jié)構(gòu)設(shè)計，即偏濾器靶板區(qū)域繼續(xù)采用鎢銅第一壁結(jié)構(gòu)，而擋板和DOME板則采用鎢低活化鋼第一壁結(jié)構(gòu)，這樣在滿足導(dǎo)熱性能的同時，降低中子輻照對結(jié)構(gòu)的損傷。由于鎢銅第一壁

4、結(jié)構(gòu)已經(jīng)有詳細的研究，重點研究鎢低活化鋼第一壁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度和熱疲勞壽命。
　　采用Monoblock結(jié)構(gòu)設(shè)計，壓力水為冷卻劑，入口壓力15.5 MPa，溫度為300℃，流速10-20m/s。使用經(jīng)驗公式對冷卻劑對流換熱系數(shù)和臨界熱流密度進行計算，并基于熱分析對偏濾器第一壁進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。在最優(yōu)參數(shù)基礎(chǔ)上對偏濾器第一壁結(jié)構(gòu)進行運行工況下強度評估，結(jié)果表明鎢低活化鋼偏濾器第一壁最大承受的熱負荷為8MW/m2。
　　由于偏濾器

5、第一壁處在循環(huán)載荷中，需要對其進行疲勞壽命預(yù)測，在此之前需要驗證結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)棘輪失效。根據(jù)Bree-diagram法則，在恒定壓力和周期性熱下，如果恒定壓力相對較小，即使產(chǎn)生的組合應(yīng)力超過彈性范疇，也不會出現(xiàn)棘輪現(xiàn)象。采用等效循環(huán)應(yīng)變方法，對比低活化鋼的循環(huán)壽命應(yīng)變曲線，計算鎢低活化鋼偏濾器第一壁的疲勞壽命。結(jié)果表明在7MW/m2熱負荷下鎢低活化鋼第一壁壽命可以達到2年的預(yù)期，如果考慮中子輻照對疲勞壽命的影響，將會更低。
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