随机填充增殖剂球床内载气流动特性数值模拟

固态氚增殖包层是聚变堆及聚变-裂变混合堆产氚包层的重要候选结构之一,其球床通道内载气流动特性将影响氚提取效率。利用离散元方法(DEM)生成随机填充增殖剂球床,通过径向孔隙率分布验证其合理性,计算流体力学(CFD)模拟计算其通道内气体流场特征。模拟得到:球床内吹扫氦气流速随孔隙率波动并随入口流速增大而均匀增大,通道内氦气流向及流速变化显著,Blake-Kozeny方程可良好预测该随机填充球床通道压降。     

氚增殖剂球床内氦气流动特性的数值模拟

通过计算流体力学(CFD)数值模拟方法,对氚增殖剂球床内部的氦气流动特性进行了初步研究。分析了球床流通长度和流通截面对提氚气体压降的影响,获得了不同入口流速下规则堆积球床和随机堆积球床的压降和阻力系数。      

CFETR水冷包层两元混合增殖球床流动特性研究

作为中国聚变工程实验堆(CFETR)候选包层之一的水冷包层(WCCB),拟采用不同尺寸的两元混合增殖球床以增加球床的填充率,从而满足氚增殖比(TBR)要求。采用离散元方法(DEM)建立了满足中子学要求的CFETR水冷包层两元球床填充结构,通过CFD计算分析获取了氦气在球床颗粒间隙之间的流动特性,包括孔隙率分布、速度分布和压降等。     

包层氚增殖球床不同装载方案的有效热导率研究

针对聚变堆固态包层的产氚载体中锂陶瓷颗粒组成的氚增殖球床,建立了基于离散元-计算流体力学(DEM-CFD)方法的球床传热分析模型,进行了离散元(DEM)几何模型有效性验证、网格敏感性分析和计算流体力学(CFD)传热模型有效性验证。用该模型模拟计算了粒径分布球床、不同粒径的一元球床、二元球床的有效热导率,研究了相同填充率下,粒径分布、不同粒径及粒径混合对球床有效热导率的影响。研究结果表明,对于填充率相近的钛酸锂球床,粒径分布球床与一元等效粒径球床的有效热导率结果相差不大;在辐射换热可以忽略的情况下,粒径尺寸对一元球床有效热导率的影响可以忽略不计;二元混合钛酸锂球床相较于一元钛酸锂球床有更高的球床填充率和有效热导率。     

CFETR氦冷固态增殖包层多物理场氚输运分析

针对中国聚变工程实验堆(CFETR)外中平面氦冷固态增殖包层模块,开展了包层热、流、氚的多物理场耦合模拟分析,获得包层模块的氚分布、氚滞留量及氚渗透量。分析结果显示,在包层球床区无因吹洗气体流动滞缓而造成的氚滞留现象,其吹洗气体流道设计合理。同时,开展了入口吹洗气体掺氢量的参数敏感性分析。分析显示吹洗气体掺氢可以降低材料表面氚浓度,从而降低结构材料中的氚浓度梯度,抑制氚渗透;入口氢气浓度从 1ppm 增加到 1000ppm 时,氚渗透量降低为 1/20。     

均匀化模型对CFETR氦冷包层中子学影响研究

在CFETR氦冷固态包层及球床结构的最新概念设计方案中,基于均匀化模型、仅球床均匀化模型与高保真模型分别进行了中子学计算分析。研究了结构均匀化及球床空间自屏效应对包层中子学影响以及小球尺寸对氚增殖比的影响。结果表明,(1) 结构均匀化模型对氦冷包层中子学影响较小;(2) 随着小球直径的减少,球床空间自屏效应堆氚增殖比的影响逐渐降低;(3) 氦冷包层真实尺寸下的小球产生的空间自屏效应较低,可忽略不计。     

聚变堆氚系统设计中的一些重要问题研究(Ⅱ)

在文献[1]中,计算了FEB-E 聚变堆PFC 材料内的氚滞留量、堆系统总的氚投料量、启动运行开始阶段的氚坑深度和氚坑时间大小。这里将讨论在ITER 的TBM 氚增殖包层内固体氚增殖剂中的氚如何高效率地被载氚气体带出并且以高效率地提取回收。本部分将进行创新的探索性研究并且提出某些减少氚滞留量和改善氚提取回收效率的新方案,例如：基于氘饱和的海绵效应;第一壁表面建立氘和铍的伴同沉积层;基于在低频外电场作用下载氚气分子和硅酸锂颗粒电极化旋转催化同位素交换速率的增强载氚气提取氚效率“SPB 方法”。     

中国 HCCB-TBM 氚增殖球床热工水力学特性数值模拟

基于 CFD 软件平台,针对中国 HCCB-TBM 氚增殖区球床热工水力学特性开展 3 维数值模拟研究。 依据 ITER 实际运行工况给出吹氚氦气和结构冷却剂氦气在硅酸锂球床内的流动与传热特性,获取球床内详细的 速度分布、温度分布和压力降。计算结果表明：圆球的排列方式影响球床内氦气流场和球床的最高温度;ITER 运行工况下 HCCB-TBM 增殖区硅酸锂小球及其壁面的最高温度不会超过设计温度。研究结果为增殖区热工水力 学方案的设计验证和下一步开展实验提供参考。     

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介绍了中国氦冷球床实验包层模块(CHHCSBTBM)设计中固体氚增殖剂陶瓷球的功能要求。考虑正硅酸锂(Li4SiO4)作为第一候选材料。对其陶瓷粉体的制作方法、微球成型方法和微球中氚的释放、辐射稳定性等进行了简要介绍,并概述了我国在固体氚增殖剂研究方面已经开展的工作。     

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聚变堆第一壁表面和PFC材料内的氚滞留量、堆系统总的氚投料量多高？在启动和运行的开始阶段的氚坑深度,氚坑时间的大小是多少？在TBM氚增殖包层内固体氚增殖剂中的氚能否高效率地被载氚气体带出来并且以高效率地提取回收？能否找到某些新机制解决这些问题是决定实现ITER的预期目标和最终实现聚变能的实际运用成败的关键问题。本文第(Ⅰ)部分回答前面两个问题,在下期第(Ⅱ)部分将进行创新的探索性研究并且提出某些减少氚滞留量和改善氚提取回收效率的新方案,例如：基于氘饱和的海绵效应;第一壁表面建立氘和铍的伴同沉积层;基于在低频外电场作用下载氚气分子和硅酸锂颗粒电极化旋转催化同位素交换速率增强提高载氚气提取氚效率“SPB方法”等等。     

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As one of the breeding blanket candidates for China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR), the water-cooled ceramic blanket (WCCB) was proposed to use binary mixed breeding pebble bed in order to increase the packing factor and meet tritium breeding ratio requirement. The DEM method was used to establish the packing structure of binary pebble bed which can meet the neutronics requirements and the flow characteristic of helium in the pebble bed was analyzed by CFD simulation. Porosity distribution, velocity distribution and pressure drop in the pebble bed were discussed.     

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Based on the CFD software platform FLUENT, three-dimensional numerical simulation was carried out for thermal hydraulics characteristics of the breeder zone pebble bed for China helium cooled ceramic breeder-test blanket module (HCCB-TBM). According the actual operating conditions of ITER, such as the nuclear heat distributions in the breeder zone and structure wall, the inlet velocities and temperatures of purge gas helium and coolant helium, the flow field and heat transfer characteristics of the purge gas helium carrying the tritium flowing over the lithium silicate pebble bed were obtained, and the temperature distribution and pressure drop were presented as well. The calculation results show that the permutation mode of the lithium silicate spheres in the pebble bed have an influence on the flow field and the maximum temperature of the pebble-bed. The maximum temperature of the pebble-bed and the structure wall does not exceed the designed temperature under the ITER operating conditions. The results will be benefit for the design verification of the breeder zone thermal hydraulics scheme and improving the following experiments of the purge gas.     

高增益包层冷却系统设计及初步热工水力分析北大核心CSCD

高增益包层氚增殖率能够达到1.5以上,能量放大倍数约为5,包层燃料区平均功率达50MW/m3,针对包层存在高功率密度区的这一特点,设计了采用迂回流动方案的水冷系统,主要由内嵌冷却管和汇总分流腔组成。建立了包括第一壁和燃料区的包层三维热工水力计算模型,利用CFD程序FLUENT对冷却系统进行模拟分析,研究了稳态工况条件下包层关键区域的整体热工水力特性。结果表明,该水冷系统流量分配合理,燃料区冷却剂压降为102kPa,出口温度为594K,符合设计预期。包层温度分布结果表明各区域最高温度均满足限值要求,冷却系统能够有效载出包层内裂变反应释放的热量。     

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通过对聚变堆设计包层进行先后的一维、三维氚增殖比计算与分析,确定合适的模块材料、明确的模块划分以及相应的模块厚度,最终找到了合适的满足氚自持(TBR=1.3162)的熔盐设计包层.     

熔盐包层设计与氚增殖比的计算

通过对聚变堆设计包层进行先后的一维、三维氚增殖比计算与分析,确定合适的模块材料、明确的模块划分以及相应的模块厚度,最终找到了合适的满足氚自持(TBR=1.3162)的熔盐设计包层。     

高增益包层失流事故热工安全分析

利用系统分析程序RELAP5/Mod 3.4对基于中国聚变工程实验堆(CFETR)的高增益包层聚变堆进行了全堆尺度的安全分析。针对包层结构复杂、部件众多的特点,提出了对包层两套冷却系统的复杂流动和传热结构的等效建模方法,并建立了两套冷却系统间的传热模型。在此基础上完成全包层模型,对稳态运行工况进行了计算验证,并选取燃料区全部失流事故进行安全分析。计算结果表明:在事故过程中,第一壁-产氚区冷却系统能够带走燃料区的部分衰变热,高增益包层的各项热工参数均未超过限值。这表明包层能够有效地抵御此类事故,具有良好的热工安全特性。