液态金属法制备ODS钢的研究进展

氧化物弥散强化(Oxide dispersion strengthened, ODS)钢是聚变堆包层的候选结构材料之一。目前,ODS钢的主要制备方法为粉末冶金工艺(Powder metallurgy, PM),但PM-ODS钢制备技术存在工艺复杂、经济性差,工业生产限制等缺点。因此,国内外正在开展ODS钢的可替代制备技术研究。液态金属(Liquid metal, LM)法制备ODS钢具有工艺简单、经济性好,易工业化生产等优点。现阶段,LM-ODS钢的制备技术主要包括直接铸造技术、中间合金铸造技术、声空化铸造技术、胶态氧化物铸造技术、氧载体铸造技术(包括TiO2氧载体铸造技术和Fe2O3氧载体铸造技术)和预铺粉铸造技术等。本文将首先介绍LM技术制备ODS钢的难点,然后详细介绍上述几种LM-ODS钢的制备工艺流程及特点,最后将各种LM-ODS钢技术作对比,总结出LM-ODS钢的制备现状,期望为后续ODS钢的LM制备提供指导。

中国聚变工程试验堆上新经典撕裂模和纵场波纹扰动叠加效应对alpha粒子损失影响的数值模拟

托卡马克聚变堆中高能量alpha粒子的良好约束是获得稳态燃烧等离子体的前提,除了磁场波纹损失,不稳定性也会引起额外的损失.本文基于中国聚变工程试验堆(CFETR)参数, alpha粒子初始分布和新经典撕裂模(NTM)扰动分布,利用粒子导心跟踪方法分别对磁场波纹和NTM两种扰动及叠加下的粒子损失进行了详细的数值模拟.结果显示粒子损失份额不随NTM扰动幅度增大而增大,两种扰动的叠加效应不明显.通过扫描装置波纹度大小以及分析相空间粒子密度和波纹损失区分布,确认原因是CFETR波纹损失区较小,没有覆盖高能量粒子(EP)密度和NTM扰动主要分布区.此外, NTM没有引起直接粒子损失和俘获粒子剖面坍塌.显著的俘获粒子密度剖面展平,并扩展到波纹损失区是两种扰动叠加效应显著的前提.无碰撞波纹随机扩散是CFETR初始分布alpha粒子的主要损失通道,通行粒子约束不受磁场波纹影响.本文研究结果对CFETR概念设计中alpha粒子物理和低频不稳定性下的EP行为具有重要意义.

中国聚变工程实验堆水冷包层钢构件流道成形控制研究

针对CFETR水冷包层流道钢构件热等静压制备时易变形压塌问题,利用单轴扩散焊设备开展了焊接工艺参数优化试验。在此基础上,重新设计了流道焊接界面位置和尺寸,用两步热等静压扩散焊法制备出了流道变形可控的平板型第一壁钢构件模块。优化试验表明,低活化钢试样的固相扩散焊温度需高于950℃,焊后经过760℃/60min回火热处理试样力学性能可以得到有效回复。

316L/RAFM钢电子束焊对接接头的微观组织与力学性能研究

在150k V/39m A的焊接参数下进行了316L/RAFM钢电子束焊工艺实验,对接头微观组织与力学性能进行了测试分析。在存在磁偏转的情况下,有效焊接深度达到了18mm,且焊接接头性能良好。

α-Fe中氦泡阻碍位错移动硬化的分子动力学研究

基于周期性位错阵列模型,利用分子动力学方法,研究了α-Fe中1/2a0<111>{110}刃位错与3nm氦泡的相互作用导致硬化的过程,重点研究了不同温度下(300 K和623 K),氦空位比例对位错与3 nm氦泡作用机制影响的差异性.研究结果表明,当氦空位比例在0～1之间变化时,氦空位比例的变化对临界剪切应力的影响微弱,当氦空位比例在1～1.5之间变化时,氦泡内氦原子的数量的增加,临界剪切应力随之降低.氦空位比例升高至1.75时,高温623 K与室温相比,临界剪切应力反常升高,原因是高温引起的位错与氦泡的排斥机制:氦泡严重超压,与位错接触瞬间,沿位错拉伸侧踢出自间隙原子团簇,被位错吸收后产生割阶;由于位错割阶与超压氦泡同为压应力场,割阶被氦泡强烈排斥反弹.

未来聚变堆真空室制造过程中曲面拟合算法研究

对未来聚变堆(CFETR)真空室制造过程中的制造误差和真空室结构不对称问题,将被测表面网格化,为各测量点引入权重系数,并通过最小二乘法拟合,实现了真空室部件制造误差分配的调整和轮廓精度的改善。

用于激光吸收光谱技术的新型平面镜光学多通池的设计与分析

提出一种新型平面镜光学多通池设计方案。该方案中光学多通池由价格低廉的平面镜和透镜构成,相对于传统的昂贵的凹面镜多通池与柱面镜多通池,此款新型光学多通池更经济适用。新型光学多通池在平面镜外侧镀有高反射率膜层,这种镀膜方法隔绝了待测腐蚀性目标气体与高反射率镀膜层的接触,减小腐蚀性气体对高反射率镀膜层的污染,从而提高仪器的使用寿命和检测精度。为了验证了新型平面光学多通池是否具有提供有效长光程的能力,利用光学软件对三种不同设计参数的新型光学多通池进行光学仿真。相比于传统的White池与Herriot池(体积约为700 cm^(3),约经过80次光反射),仿真结果显示新型平面镜光学多通池可以在较小的体积(约236、393、422 cm^(3))分别实现62、100、99次光反射,并提供14.64、40、42.57 m的有效光程。新型光学多通池有效光程数与多通池体积比值很大,其比值分别为100、62、101 mm^(-2),表明该新型光学多通池空间利用率很高。初步研究表明该新型光学多通池具有小体积、长光程、低成本、探测灵敏度高等优点。

中国聚变工程实验堆主机真空室结构设计与分析

中国聚变工程实验堆(CFETR)是中国在研的新一代大型全超导托卡马克核聚变能源工程验证设施,真空室是CFETR工程设计中接口较为复杂,也是核安全部件中较为重要的大型真空压力容器,位于磁体系统内部,安装有大量的堆内部件和复杂的管路,是一个D形截面的双层壳结构的真空压力容器,环向分为16个扇形段,包含真空室主体、窗口和支撑等,是保证装置安全运行的重要的结构承力部件。运用有限元方法对真空室强度进行结构强度分析计算,对危险工况的计算分析结果表明,真空室的设计达到预期的设计目标,能够满足CFETR装置安全运行的要求。

CFETR真空室结构稳定性的有限元分析

真空室是中国聚变工程实验堆(CFETR)重要的屏蔽组件和包容屏障,为提高其结构稳定性,用有限元方法对真空室核心部件进行了线性屈曲分析与几何初始缺陷非线性屈曲分析,评估了真空室结构的各项稳定性指标。结果表明,现有的真空室的设计满足屈服强度的设计要求,为后续的设计优化工作提供了重要的理论依据和参考。

ITER聚变装置及其电源系统

[目的]为了实现受控核聚变,研究解决人类未来能源问题,国际热核聚变反应堆(ITER)计划建设核聚变反应超导托卡马克装置。[方法]简要说明了ITER计划的意义与发展,同时对其电源系统的组成与功能以及主要线圈的变流器电源结构与技术参数进行了针对性介绍。[结果]最后,提出了中国在ITER磁体电源方面的优化设计,以及完成的相关磁体电源采购包任务。[结论]中国通过参与ITER计划科研项目,为国际聚变工程技术发展做出了重要贡献。

快速真空紫外光谱诊断在EAST实验的初步应用

为了在EAST装置上开展高参数放电条件下边界杂质辐射的实验研究,发展了真空紫外(VUV)光谱诊断系统。该系统采用了焦距为200mm的Seya-Namioka型VUV光谱仪,并配备了600g·mm^(-1)凹面全息光栅,所能观测的波长范围为50~700nm,覆盖真空紫外、近紫外和可见光波段。系统在垂直方向的观测范围为Z=-350~350mm。利用该系统开展了EAST边界杂质谱线的实验研究。通过分析CⅣ(154.8nm)杂质和FeⅡ(235nm)的谱线强度的时间演化行为,验证了该系统谱线强度测量的准确性与可靠性。通过分析CⅠ(365.2nm)杂质辐射强度在加热功率调制下的时间演化行为,验证了该系统研究较短时间尺度的杂质辐射行为的可行性。

用黑盒电弧模型的爆炸开关中直流电弧的仿真

爆炸开关是一种由炸药驱动、快速响应、高可靠性的直流断路器,已在ITER、EAST等多种失超保护系统中得到应用。作为一种直流断路器,电弧是决定其换流过程的主要因素,其水下燃弧、熄弧的特性的相关研究是目前此类断路器设计中的空白。电弧动态模型是研究电弧特性的常用方法,当建立的模型与试验过程中所观察到的断路器性能有良好的对应关系时,模型可用于建立爆炸开关的结构设计和换相特性之间的关系,为开关的设计优化提供理论依据。通过分析对比了几种不同的电弧模型,给出了适用于爆炸开关设计过程中的黑盒电弧模型,应用了Parameter Sweeping Strategy,研究了电弧模型中的参数取值规律,并结合试验验证了这种模型的可行性,为中国核聚变工程试验堆(CFETR)失超保护系统中爆炸开关中的研制提供了理论依据。

水冷陶瓷增殖剂包层氚输运分析

基于2015版本中国聚变工程实验堆(CFETR)水冷陶瓷增殖剂(WCCB)包层模块设计特点,建立详细的氚输运分析模型,对不同包层模块(包括不同的增殖区)、载氚气回路、冷却剂回路和蒸汽发生器中的氚输运进行分析。结果表明不同包层模块氚的浓度、渗透量、滞留量均不同,全堆所有包层模块增殖区中氚的滞留量为6.62×10-2g,结构材料中氚滞留量为2.01g,载氚气和冷却剂回路中氚滞留量分别为4.03×10-4g和0.19g,氚通过蒸汽发生器的渗透量为20mg·y-1,冷却剂回路中氚渗透到管道外的量为0.1mg·y-1。

HL-2A装置快离子D_(α)诊断和模拟分析

介绍了HL-2A装置上的快离子Dα(FIDA)诊断,并利用FIDASIM与TRANSP程序对快离子进行模拟分析,通过分析FIDA谱获得了快离子在相空间的分布。对模拟结果与实验结果进行对比,分析表明模拟得到的FIDA谱的演化趋势与实验吻合,验证了用TRANSP程序模拟的快离子分布的可靠性。

高能量粒子再分布模型在CFETR上的应用

在中国聚变工程实验堆(CFETR)设计参数下,利用一种高能量粒子(EP)物理简化模型分析了磁流体动力学(MHD)不稳定中新经典撕裂模(NTM)引起的粒子再分布和损失。相位矢量旋转法利用EP相空间中小间隔区域内跟踪探测粒子对来判定粒子轨道随机与否,即记录连接矢量旋转角的方法标记该区域是否存在KAM面破缺,以此为据修正相空间的粒子分布函数和判断粒子损失。利用相空间探测粒子对相位矢量旋转法标记一定NTM幅度下的随机区域分布并迭代得到稳态分布剖面。对捕获粒子区域的共振岛探测结果表明,低频或零频率扰动不会与高能量α粒子形成有效共振,MHD扰动和有效碰撞效应可能使捕获-通行轨道边界附近形成损失通道。

CFETR混杂模式下的准雪花平衡位形设计

对准雪花位形第二X点的位置进行了优化,从而降低中心螺线管和极向场线圈的电流。结果表明,极向场系统可维持13MA混杂模式的准雪花位形,并获得较长的电流平顶。但是PF2L和PF3L线圈的载流能力需分别提高2.5和3倍。

EAST装置上W波段多道极向相关反射仪的研制

在EAST装置上安装了X模极化W波段多道相关反射仪,用于测量等离子体芯部密度涨落。该诊断利用低损耗(<3dB)多工器将4个不同频率(79.2GHz,85.2GHz,91.8GHz和96GHz)的微波耦合在一起,通过同一个天线发射。反射波由两个极向分离(~5cm)的天线接收,通过下变频技术实现外差测量。通过对两个极向天线接收的信号进行相关分析,获得芯部湍流垂直速度。对2018年低约束模式(L模)放电进行分析发现,在电子回旋共振加热(ECRH)等离子体中,芯部湍流垂直速度在电子逆磁漂移方向。而在注入同向中性束(co-NBI)后,芯部湍流垂直速度变为离子逆磁漂移方向。

基于人工过零的失超保护100 kA真空断路器试验

在超导磁体电源系统中,失超保护系统具有重要的地位,能够将磁体能量迅速转移并消耗。聚变堆主机关键系统综合研究设施项目对失超保护系统提出了100 kA直流分断的技术要求,其中采用真空断路器作为转移支路开关。针对CRAFT失超保护系统,设计了串联结构的100 kA直流真空断路器并完成了样机制造。通过现场试验,在人工过零电路的配合下,所设计和制造的真空断路器完成了100 kA直流分断测试。

EAST 4.6 GHz低杂波天线端口探针系统设计

为了研究低杂波天线端口附近的电子密度对低杂波耦合、驱动电流的影响,设计了端口探针系统测量等离子体放电期间天线端口密度的变化.该系统由探头和传输线、电路和信号隔离、信号采集设备三部分组成.以数据采集设备为硬件基础,并基于LabVIEW图形化编程环境,编写了数据采集程序.测试表明:该探针系统达到设计目标、能够稳定可靠运行,满足实验运行需求;4.6 GHz低杂波天线的最适耦合密度值为1.0×10^(18)~2.0×10^(18)m^(-3),与理论预测和数值模拟结果相符.

等离子体大破裂工况下CFETR真空室的电磁结构耦合分析

针对22.5°真空室扇形模型,建立CFETR真空室在等离子体大破裂工况下的有限元分析模型。通过仿真计算得到真空室在等离子体破裂工况下的涡流分布、电磁力分布,并将电磁载荷导入结构场,分析真空室不同PS段的应力、形变等结果。计算得到最大薄膜弯曲应力位于PS1段,约53.9MPa,远小于许用应力值。结果表明,真空室设计满足等离子体破裂工况下的结构强度要求。