平板型超蒸发强化换热部件的设计与制备
偏滤器作为核聚变装置的关键部件之一，其热载承受能力对聚变装置的稳定及安全运行至关重要。为进一步提升偏滤器部件的换热能力，本文在ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）平板型超蒸发强化换热结构的基础上，发展了一种新型内肋换热结构，并利用数值分析的方法初步验证了新型内肋结构的合理性;其次，首次开展了一步热等静压扩散焊法制备钨/铜/钢复合模块的工艺研究，并成功制备出新型超蒸发换热模块;最后，利用电子束高热负荷测试平台，对新型强化换热模块开展了高温热负荷测试研究。 首先，以ITER超蒸发强化换热平板结构为基础，设计了新型内肋结构。该结构改变了以ITER横向内肋结构为主的传统思路，转为以纵向内肋结构为主，横向内肋结构为辅的复合设计。纵向内肋结构的设计可有效增加部件的换热面积，大幅度降低了模块内部流体的压降;同时，纵向内肋结构的两端直接与模块的两端相连，起到了“加强筋”的作用，可有效提升模块在长度方向上的力学强度。较小的横向内肋设计有利于近壁面处气泡的排除，避免气膜的生成。采用Fluent软件，优化了部件的内部结构尺寸:将纵向内肋结构的截面尺寸定为高4mm，宽2mm，将横向内肋结构的截面尺寸定为高1mm，宽3mm。对新型换热结构的过冷沸腾换热进行了数值模拟分析，探索了不同热工水力条件下新型换热结构的温度场分布。对比了新型换热结构与传统ITER换热结构、Monoblock结构的换热能力，结果表明在相同的热工水力条件条件下，新型换热结构的强化换热能力更为优异。 其次，首次采用一步焊接法制备了W(Cu)/CuCrZr/316L复合模块，制备工艺参数为:温度900℃，保温2h，压力140MPa。随后为了恢复CuCrZr合金的力学性能，对焊接后的W(Cu)/CuCrZr/316L复合模块进行了固溶(900℃，1h)+水淬+时效热处理(475℃，2h)。超声波无损探伤结果表明各连接面的扩散质量良好，无未焊合区域;SEM(Scanning Electron Microscope)观测结果表明焊后的CuCrZr合金晶粒尺寸满足ITER要求;脆性材料钨及W/Cu界面处没有微观裂纹产生，证明水淬处理没有对钨及其焊接界面造成破坏。对焊后的CuCrZr/316L界面进行了室温拉伸测试，样品断裂在CuCrZr合金基体内而非界面处;对CuCrZr/316L界面进行室温冲击试验，冲击韧性值高达104±2J/cm2。力学测试结果表明CuCrZr/316L连接处的界面强度较高。 最后，采用本文设计的新型复合内肋结构及模块制备工艺，成功制备了超蒸发强化换热模块两件，每件模块尺寸为116mm×36mm×20mm。利用电子束测试系统对制备的超蒸发强化换热模块进行了高热负荷测试，冷却水入口温度选为20℃，入口体积流量约为3.7m3/h，入口压力约为0.3MPa。高热负荷测试结果表明:模块成功经受住了80次10MW/m2+10次15MW/m2+10次20MW/m2的热疲劳冲击。实验时采用红外测温仪对模块表面的温度进行实时监测，结果显示在各疲劳周期内，模块表面的峰值温度示数稳定，模块表面无局部过热现象产生;实验测得模块在表面热流密度分别为10MW/m2、15MW/m2和20MW/m2时，钨表面的峰值温度分别为370℃、592℃和780℃。实验后对模块进行宏观观测，发现钨表面平整，钨块无熔化、烧蚀现象发生，证明新型模块的换热能力良好，新结构的设计及制备工艺可行。 通过模拟分析与实验测试的结果，可得到如下结论:纵向内肋结构+横向内肋结构的复合设计可有效提升平板型偏滤器部件的强化换热能力。采用一步热等静压法制备的W(Cu)/CuCrZr/316L复合模块界面质量良好，制备后的模块无论从材料的微观组织或是模块的综合性能来看，都得到了显著优化。 本文的研究结果可为CFETR(China Fusion Engineering Test Reactor)以及DEMO(Demonstration Fusion Reactor)偏滤器的研发及制备提供技术支持。
核聚变装置;偏滤器;超蒸发强化换热部件;高温热负荷
中国科学技术大学
博士
材料物理与化学
罗广南
2018
中文
TL621.3
125
2018-09-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）