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ITER屏蔽块的热流体和热应力计算

程超  
【摘要】:ITER(国际热核实验反应堆)是目前在建的世界上最大的托卡马克实验装置,其目的是验证开发受控热核聚能在技术上和工程上的可行性,为今后的商用提供理论基础和实验指导。在ITER的运行过程中聚变反应产生大量的能量,这些能量以14.1MeV中子的形式释放出来,而这些中子是通过和真空室中与等离子体接触的屏蔽包层的碰撞将能量转换到屏蔽包层中的。另外,ITER装置在运行中有大部分的能量都是通过水冷系统输运出去的。因此,包层的设计中一个重要的要求就是要确保包层的冷却能力足够好,以带走足够的能量。屏蔽包层由第一壁和屏蔽块组成,而其中承担主要的能量输运工作的是屏蔽块,屏蔽块的冷却能力的好坏足以影响整个屏蔽包层的冷却效果。另外,良好的冷却管道设计能够减小流体的局部阻力系数,使流体速度分布均匀,屏蔽块内部温度变化幅度小,减小由于热分布不均而造成的热应力和热形变。基于以上这些要求,对屏蔽包层中屏蔽块的热分析和流体分析显得尤为重要,它为屏蔽块的设计可靠性和有效性提供了验证结果和指导方法。 本文首先利用通用计算流体动力学软件ANSYS CFX计算屏蔽包层中的四号屏蔽块和八号屏蔽块屏蔽块设计模型的温度场和流场分布,并在ANSYS Workbench中利用前面计算的温度场分布进行热-结构耦合场计算,得到两个屏蔽块的热应力分布,对结果进行分析,计算结果表明其设计满足ITER的要求,是可行和安全的。其次,对两个屏蔽块的计算结果进行对比,发现八号屏蔽块和四号屏蔽块相比冷却管道的释热能力差不少,初步分析导致其结果差异的原因是八号屏蔽块的结构不规则,导致冷却管道不能被设计成四号屏蔽块那样的径流管阵列,而八号屏蔽块中设计的平行导流管不能带走其背部一大块区域的温度,形成了热沉积区。最后,分析模型设计中的冷却管道结构,发现四号屏蔽块的径流管底部设计难以在工程中实现,而八号屏蔽块的冷却管道流速分布不够均匀,指出了这些需要改进的地方并提出优化设计的建议。


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