聚变堆高温熔盐冷却偏滤器靶板概念设计与分析

• 作 者: 常小博
• 出 处: 中国科学技术大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 聚变堆 偏滤器靶板 熔盐冷却 热工水力 热应力分析 结构优化

偏滤器是聚变堆内直接面对等离子体的核心部件之一,承担着控制等离子内杂质含量、带走第一壁表面高热负荷并输出能量的重要功能。高效的冷却技术是保证偏滤器正常运行的必备条件。随着聚变功率的提高,偏滤器靶板需要承担更高的热载荷,并且聚变堆内中子辐射剂量将会比目前ITER实验装置高出一个数量级,中子辐照将造成材料力学性能的退化。因此本文从适用于未来高通量中子辐照的聚变堆环境角度,需要设计出抗高中子辐照同时兼顾热承载能力的高性能偏滤器,降低偏滤器部件退役后对环境的放射性影响,并提高聚变堆的经济性。基于上述要求,通过对比分析不同冷却剂和结构材料的优缺点,本文提出一种新型高温熔盐冷却偏滤器结构设计。设计中采用FLiNaK作为冷却剂,充分利用了熔盐冷却剂的高温运行能力、强换热能力和低导电率的优点,并从氦冷偏滤器的设计中汲取经验,采用发展技术相对成熟的钨镧合金作为结构材料,钨为第一壁材料,完成了熔盐冷却偏滤器靶板结构的初步设计。通过数值计算分析熔盐冷却剂的换热特性、压降特性和磁流体动力学效应,以材料许用温度和应力为判据,开展并完成了偏滤器靶板几何结构的优化工作。针对优化后的靶板结构,进行热负荷承载能力评估,分析了不同流体参数对结构换热能力的影响。然后,通过理论分析和数值计算完成偏滤器冷却回路设计,优化偏滤器各模块之间的流量分配,并降低冷却剂在回路中产生的压降,减小泵功率需求。最终优化的靶板冷却结构可以有效承受15.7 MW/m2的稳态高热负荷和20 MW/m2的瞬态热负荷。本文的主要研究内容为偏滤器能够适应聚变堆高反应堆功率、高通量中子辐照的恶劣运行环境和发电经济性的要求,提供了一种设计解决方案。