面向等离子体部件沉积特性的数值模拟研究

采用粒子模拟研究方法,利用PEGASUS 程序对等离子体环境下面向等离子体部件的沉积特性进行了模拟研究。结果显示部件表面连接缝隙尺寸、表面粗糙度、粒子入射的角度以及流量对沉积影响显著。在能量较小、溅射可忽略时,能量对沉积的影响很小。粗糙度越小,沉积量越小;同一种粗糙度,不同轮廓也会使沉积发生较大变化,轮廓一致的更有利于减小沉积。该模拟对研究等离子体与材料相互作用,分析瓦片缝隙尺寸、瓦片加工工艺和等离子体参数对面向等离子体部件沉积行为的影响具有重要意义。

红外无损检测在面向等离子体部件检测的应用

建立了主动式内热源激励的红外无损检测平台,并进行了不同缺陷大小的EAST W/Cu面向等离子体部件(PFC)的无损检测实验(NDT),得到试件表面的红外热图。通过最大温差值融合法消除由试件表面发射率不均匀引起的温度误差,通过快速离散傅里叶变换法提高了图像的信噪比,实现了对W/Cu面向等离子体部件缺陷的分辨。通过数值模拟的手段对可能影响该检测技术的关键因素进行了定量分析。

超蒸发强化换热面向等离子体部件的研究进展

超蒸发冷却概念是目前最有前景的强化换热技术之一,能够承载20~30 MW/m^2的高热负荷。大型托卡马克如欧洲联合环(Joint European torus, JET)等装置均对超蒸发技术开展了大量的研发或应用尝试,同时国际热核聚变试验堆(International thermonuclear experimental reactor,ITER)偏滤器的穹顶(Dome)面向等离子体部件已经计划采用超蒸发强化换热的冷却结构。本文首先详细介绍了JET和ITER的超蒸发部件研发历程,然后,参考JET和ITER的设计,为中国聚变工程试验堆(Chinese fusion engineering test reactor,CFETR)设计了一种新型结构的超蒸发强化换热面向等离子体部件,并开展了部件制备工艺的摸索以及高热负荷测试,部件在高热负荷测试过程中表现出了优异的换热性能。

SST—1托卡马克的PFC烘烤设计与热工水力分析

稳态超导托卡马克（SST－1）是一个有超导磁场线圈的中型托卡马克，由偏滤器、无源稳定设备、档板和极向孔栏组成的SST－1装置的面向等子体部件（PFC）要被设计成能适合于稳态运行，在环向方向除了极向孔栏以外，其它所有的PFC在结构上是连续的。当SST－1被设计成双零偏滤器等离子体运行时，这些元件还要求上下对称，应选择一个紧密的偏滤器位形以便在偏滤器区域内能产生高再循环和高抽速，无源稳定设备位于等离了体附近，这对克服拉长等离子体的垂直不稳定性起到稳定作用，在PFC设计中主要考虑的问题是最高达1MW.^m-2的稳态热排出，除了排出高热能量以外，还要把PFC设计成能适应350摄氏度的烘烤温度，为了对SST－1不同的PFC选择最佳的热工水力参数和管道布置，对不同的流量参数和各种管道布置已作了检验，PFC在烘烤期间的热响应已经用FORTRAN编码进行了分析，同时也用ANSYS进行了二维有限元分析，本文要详细PFC烘烤的热工学的热响应。

无损检测在偏滤器质量控制上的应用

总结了作为PFCs中最重要部分的偏滤器(Divertor)在制备过程中控制部件复合界面质量的超声检测和红外热像技术。这两种方法对于一定尺度的缺陷具有很高的检测灵敏度。

聚变堆第一壁连续W/Cu梯度材料的热工性能优化

针对不同体积分布指数p的W/Cu连续功能梯度材料的偏滤器第一壁结构,采用有限元软件计算了8MW.m^(-2)稳态运行热加载以及等离子体破裂条件下1GW.m^(-2)热流冲击下的力学响应。相同稳态加载条件下,W/Cu连续功能梯度材料的最优分布指数与分层梯度材料存在较大差异,其最优等效应力比分层梯度材料要小26%,表现出更优异的性能。在热冲击响应过程中,连续梯度W/Cu材料塑性损伤随p值不同也存在较大变化,其最优p值与其稳态运行时热应力最优p值存在一定差异,从第一壁应用条件考虑,应综合选取,最佳p值在1.2附近。综合来看,连续梯度W/Cu材料具有更连续变化的热物理属性及力学性能,在聚变堆第一壁结构设计中具有更大的应用潜力。

W/Fe/CuCrZr热等静压模块组织及性能分析

为实现面向等离子体材料钨(W)和热沉材料铜铬镐(CuCrZr)合金的可靠连接,对纯铁(Fe)作为W/CuCrZr合金热等静压连接中间层的可行性进行了探索性研究。在850℃/150MPa/135min的热等静压参数下制作了W/Fe/CuCrZr合金的实验模块,分别对连接界面进行了焊接界面、微观形貌、组织成分及剪切力学性能的检测分析。检测结果显示,两连接界面无明显缺陷,均发生了约0.5μm的短距离互扩散,且均未生成明显的反应相,连接界面呈现出较好的塑性,剪切强度大于186.5MPa。因此,纯铁作为中间层实现了W/CuCrZr合金的可靠连接。用ANSYS Workbench平台对模块进行的高热负荷下的瞬态传热模拟表明W/Fe/CuCrZr合金模块最高可承受16MW·m-2的热负荷。

W/CuCrZr偏滤器焊接模块高热负荷试验温度场分析

利用热等静压扩散焊接技术制备了国际热核聚变试验反应堆(ITER)偏滤器部件的W/Cu Cr Zr焊接模块,并通过电子束试验装置考察模块的耐热负荷性能。为了进一步的考察模块的耐高热负荷性能,利用ANSYS软件模拟计算了稳态和热筛选条件下模块高热负荷(HHF)试验的温度场。结果表明,HHF试验时,试块的最大温度出现在W表面,且W表面的最高温度随着钨块的厚度和吸收功率密度的增大而升高。三种中间层试块,当W块厚度低于8 mm和吸收功率密度低于8 MW/m2时,Cu Cr Zr合金和W材料的最高温度都满足偏滤器PFC设计许用温度的要求。

核聚变堆偏滤器热沉材料研究现状及展望

偏滤器是磁约束核聚变装置最为关键的系统之一,直接承受强粒子流和高热流的冲击,服役环境十分苛刻,而满足偏滤器运行环境的热沉材料是聚变堆正常运行的关键之一。受控核聚变领域近30年的研究和工程经验表明,铜合金以高热导率、较高的强度、较好的热稳定性和抗中子辐照性能被认为是聚变堆偏滤器用热沉材料的首要候选材料,也可能是水冷偏滤器热沉材料的唯一候选材料。但是,根据现有商用铜合金在下一代聚变堆(中国聚变工程试验堆(CFETR)和示范性聚变核电厂(DEMO))偏滤器模拟工况下的表现,发现其无法满足CFETR偏滤器的运行要求。目前,CFETR装置的设计和预研工作已经开展并按计划稳步推进,此时适用于高热负荷部件的热沉材料研制工作就显得十分重要。本文依据中国聚变能发展路线图,介绍了下一代聚变堆偏滤器热沉材料的服役工况及其对热沉材料的要求,对现有的铜合金在下一代聚变堆偏滤器运行环境下可能存在的问题进行综合评述,最后针对我国CFETR偏滤器热沉材料的相关问题提出了应对策略。