聚变堆内高热流部件强化换热实验与数值模拟研究

发布时间：2020-04-19 16:59

【摘要】：聚变能由于清洁、蕴能巨大而受到全球重视,国际热核聚变实验堆(ITER)是一个为验证受控核聚变技术可行性而建立的超导托卡马克实验反应堆。堆内直接面向等离子体的高热流部件,如包层和偏滤器第一壁等,需要承受高温等离子体辐射的高热流和高能中子沉积的高功率密度核热,当热流密度超过允许值时,结构应力将超过许用应力,造成部件失效进而形成安全事故,因此需要采取强化换热手段,提高换热效率、降低结构材料的最高温度和温度梯度。论文围绕聚变堆内高热流部件的强化换热重难点问题,主要针对水冷超汽化第一壁强化换热技术和氦冷包层第一壁强化换热技术开展了实验和数值模拟研究。通过研制的水冷超汽化实验回路对第一壁不同的超汽化实验样件、流动参数、输入热流等进行了超汽化换热机理实验,发展了平面激光诱导荧光(PLIF)、高速微距摄影(HSP)和粒子图像测速(PIV)相结合的测量技术,用于观察超汽化现象中气泡的成核、生长、汇聚和破裂,并测量了超汽化流场中的温度分布及涡旋运动,为超汽化强化换热实验研究发展了一种可行的实时非接触式测量技术。建立了基于流体动力学软件的超汽化过冷沸腾强化换热数值模拟模型和方法,相变过程通过用户自定义程序(UDF)接口加载到流体体积函数模型(VOF)控制方程中,利用实验结果验证了数值模拟方法的合理性和数值模拟结果的正确性。创新性提出“充-放”式方法建设氦气实验系统,实验压力在3～8MPa范围内可调,流量最大0.21Kg/s。利用研制的高压氦气实验系统,加工了实验段对第一壁高压氦气强化换热技术进行了实验研究。实验结果表明,通过在第一壁流道面向等离子体侧内壁设置肋片,可以有效降低结构的最高温度和温度梯度,提高结构临界热流密度。采用数值模拟方法对不同湍流模型的计算结果与强化换热实验测量值进行对比验证,结果表明光滑壁流道时采用RealizbleKε模型的计算结果与实验测量值误差最小;当面向等离子体侧内壁设置肋片的复杂流动工况下,采用分离涡模型(DES)计算结果与实验测量值误差最小。在此基础上,对中国氦冷球床包层(HCCB)第一壁流道中设置横肋和V型肋等强化换热方案进行了数值模拟优化,获得了 HCCB氦冷第一壁肋片强化换热的最优方案。为提高氦冷第一壁冷却能力和效率,降低驱动功率和成本,提出采用He/CO2二元混合气体作为工质冷却HCCB第一壁的新方法,运用数值模拟方法对比分析了与纯氦冷相比时的冷却性能和循环功率,并讨论了新方法的可行性和强化换热机理,为第一壁的高效冷却提供了一种潜在可行的新方案。
【图文】：

１．２．１邋ＩＴＥＲ屏蔽包层研究现状逡逑屏蔽包层的主要作用为移除热沉积，屏蔽聚变中子，保护外部设备不受中子逡逑辐照而活化。如图１．２所示，ＩＴＥＲ屏蔽包层采用模块化设计，沿极向方向分割逡逑为１８块，第１？６号为内包层模块，７？１０号为上部包层模块，１１？１８号为外包层逡逑模块，内包层环向２０。为一个扇形区，外包层环向ＨＴ为一个扇形区，整个屏蔽逡逑２逡逑

逑包层系统由１８个内包层扇形区和３６个内包层扇形区组成［１１］。逡逑图１．２邋ＩＴＥＲ屏蔽包层位置及编号逡逑ＩＴＥＲ屏蔽包层共分为４４０个模块，每个模块由第一壁、屏蔽模块和支撑结逡逑构等组成，如图１．３（ａ）所示，第一壁和屏蔽模块内部结构如图１．３（ｂ）所示，模块逡逑上的第一壁根据位置不同被分为４？６块，通过焊接方式连接到屏蔽块。主管输入逡逑的冷却水通过同轴水力连接器分流，由第一壁前集箱进入第一壁内冷却流道对第逡逑一壁进行冷却，之后再流入屏蔽模块内部进行冷却，最后经过同轴水力连接器流逡逑出［１２］。逡逑进出口主水管逡逑＿逡逑（ａ）邋ＩＴＥＲ屏蔽包层结构逦（ｂ）第一壁结构逡逑图１．３邋ＩＴＥＲ屏蔽包层及第一壁结构逡逑ＩＴＥＲ屏蔽包层参数如表１．１所示，，第一壁上的最大热流密度达到１．４ＭＷ／ｍ２，逡逑目前１ＴＥＲ设计的屏蔽包层冷却剂均为水冷，压力３ＭＰａ，入口温度为１００°Ｃ。逡逑由于在某些位置的屏蔽包层第一壁需承受高热流（如在赤道附近区域的包层第一逡逑壁
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL64

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本文编号：2633523