面向聚变堆水冷系统关键问题研究
水冷系统是聚变堆的关键子系统，为聚变堆内部部件及相关辅助设备提供干燥与冷却等功能，使聚变堆满足运行所需的热工水力需求。本论文针对聚变堆水冷系统的不同应用场景，重点研究了内部部件及歧管在强气流工况下的气液两相流动特征，波动管内的流体流动与传热特征，以及不可压缩流体在多并联支路下的流量分配及压力分布特征。 以EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)超导托卡马克装置为依托，开展干燥系统时空动态响应机制研究，揭示影响内部部件干燥度的关键参数，突破聚变堆干燥难题。通过发展的数值模型提出了偏滤器干燥完全的临界压差，揭示了偏滤器传热工质滞留量在压差与时间双重尺度上的物理关系，同时，基于新发展的强气流干燥测试平台，该结论得到了试验验证，数值模型的正确性也得到了验证。此外，试验和仿真结果确立了渐扩管在偏滤器出口位置对干燥过程中气液两相混合物流动特性的影响机理，揭示了偏滤器与渐扩管在干燥过程中的相互制约关系。该研究进一步挖掘了影响内部部件干燥度的因素，确定了内部部件压差及渐扩管对偏滤器干燥度的影响机理。 同时，本文利用动力学理论构建了支管排液特征模型、分流母管以及汇集母管压力分布模型，研究了歧管类型对气液两相流流动与分配的影响机理。通过对U型与Z型歧管干燥过程的数值分析，以歧管内部液相体积分数、分流母管与汇集母管的压力分布以及支管流量分布为指标，表明Z型歧管在相同压力差下可获得更高干燥度，并在强气流干燥测试平台进行了验证，揭示了歧管结构对干燥系统的影响机制，为未来聚变堆干燥系统设计提供参考。 此外，基于中国聚变工程实验堆CFETR(China Fusion Engineering Test Re-actor)一回路主传热系统在短时间间隔的待机运行工况，对系统中的关键部件波动管湍流穿透和热分层现象进行了数值模拟研究，通过沿波动管的速度肜(Z轴方向的速度分量)和沿波动管上侧的温度梯度判断出湍流穿透长度，并根据热分层强度因子判断最严重的热分层位置，该判定方法为未来聚变堆间歇式放电过程中波动管内热冲击过程分析提供科学依据和参考。 最后，基于CRAFT(Comprehensive Research Facility for Fusion Technology)聚变堆主机关键系统综合研究设施开展设备水冷系统热工水力设计与分析研究。面向多样性的水冷需求构建了不可压缩流体流量分配分析计算方法，利用热工水力学软件AFT Fathom开发了具有普适性的热工水力模型，开展多并联支路流量分配及压力分布等热工水力参数分析，提出满足系统需求的水冷系统设计方案，为未来聚变堆水冷系统设计提供参考。 本文针对聚变堆水冷系统设计与发展进行了探索性与前瞻性研究工作，为未来聚变堆的设计、建设和运行提供理论支撑和技术积累。
聚变堆;水冷系统;气液两相流;传热特征;流量分配;压力分布
中国科学技术大学
博士
核能科学与工程
胡建生;杨雷
2021
中文
TL626
2022-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）