中国HCCB-TBM氚增殖球床热工水力学特性数值模拟-论文.pdf

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1、第34卷第3期核聚变与等离子体物理Vo1．34，No．32014年9月NuclearFusionandPlasmaPhysicsSep．2014文章编号：0254-6086(2014)03-0200-07中国HCCB．TBM氚增殖球床热工水力学特性数值模拟汪卫华，程德胜，冯开明2，邓海飞(1．陆军军官学院应用物理研究所，合肥230031；2．核工业西南物理研究院，成都610041)摘要：基于CFD软件平台，针对中国HCCBTBM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

2、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。关键词：ITER；实验包层模块；热工水力学；球床；吹扫气中图分类号：TL62+2文献标识码：A1引言验，DalleDonne等人研究了硅酸锂(Li4SiO4)球床与国际热核实验堆(1TER)建设和运行的主要目增殖区不锈钢壁面的热传导问题(平均直径为0．5mm，占空比为61．9％)L5】，Tehranian’等通过注入不

3、标是掌握等离子体长脉冲运行控制、演示聚变热的获取和氚燃料的增殖与提取，而聚变高能中子转变同压力的空气或氦气作为载氚介质，研究了不同氚成核热和氚增殖是依靠包层来完成的。因此，ITER增殖材料球床与不锈钢壁面的热传导问题[6，‘，包各参与方均高度重视包层技术的研发。目前计划进括直径为0．8ram、占空比为63％的铝球，直径为1．2mm、占空比为65％--69％的锆酸锂球，同时考虑入ITER开展实验的6个实验包层模块(TBM)中有4个是固态球床TBM，2个是液态铅锂TBM【l吲。我了球床的机械载荷，但球床的平均温度相对较低；对于中子增殖铍球床，DalleDonne和Abo

4、u—Sena国自加入ITER后高度重视TBM技术的研发，其中由核工业西南物理研究院牵头负责的氦冷固态等通过实验研究了球床与不锈钢壁面的传热问题】氚增殖剂实验包层模块(HCCB—TBM)计划进入，铍球直径为2mm，占空比分别取60％和63％；ITER实验[4】0Abou—Sena等还研究了直径2mm、占空比60．6％的随着固态氚增殖包层模块实验需求驱动，针对铍球床与碳化硅接触的热传导实验，并考虑球床温氦冷球床实验包层模块吹氚氦气的热工水力学特度和抗压应力的影响【9】。为了支持欧盟HCPB—TBM性关键技术的研究，目前各参与方均依据实验目标吹氚氦气系统的设计，AliAb

5、ou—Sena等近期采用玻陆续开展。前期有关球床的传热特性已开展一些实璃小球代替硅酸锂小球，实验研究小球直径、占空比、球床长度和入口压力与压降的关系[10]。以上有收稿日期：2013一ll一22；修订日期：20147_04基金项目：国家磁约束核聚变能发展研究专项(2013GB1l30O4)；国家自然科学基金项目(91326101)作者简介：汪卫华(1965_)，男，安徽安庆人，博士，教授，博士研究生导师，主要从事反应堆热工流体实验与数值模拟研究。第3期汪卫华等：中国HCCB．TBM氚增殖球床热工水力学特性数值模拟203

6、．．1-暑豢丑本研究中，和分别取0．5和0．6

7、。依据文献[14]常压氦气。氦气的材料及热物理特性参数随温度变的实验验证，热辐射效果在低温区域作用不明显，化的关系列于表1中，硅酸锂小球和壁面结构材料故在模型中没有考虑。RAFM钢材料参数参见表1，其中p为密度、I，为中国HCCB．TBM设计8MPa高压氦气在比热、为导热系数、为流体动力粘度。模型中RAFM钢壁圆管内流动，携带球床产生的核热和壁考虑硅酸锂比热容随温度变化关系如图4所示。上沉积的核热，增殖区球床内吹氚氦气为0．12MPa表1增殖区材料特性图5b所示为剖面1的速度矢量，从图中可以看出-，，～一⋯一一一』_．J⋯流场中的氦气速度受到硅酸锂小球的阻挡，流动发

8、]／-——一比热省’0一～．／一!l}一⋯一生了改变，氦气不断地绕硅酸锂小球流动，流体流I⋯一-开⋯⋯⋯⋯卜⋯⋯⋯⋯动通路在分岔和汇合两种方式下交替进行。_／-f由于硅酸锂小球之间的间隙不同，球床流场中，l1／。氦气绕小球流动特性也不一样，如图5c所示。吹●，j,fm．氚氦气流过小球之间的缝隙较大时，流动阻力相对温度／'C较小，流动加速，最大速度可达到0．89m．S～；当流过小球之间的缝隙较小时，流动阻力相对较大，流图4硅酸锂比热容随温度变化关系动速度相对平缓。流场中还存在一些几乎与球床内吹氚氦气无法流动的迟滞区，如图5d所示。这部3结果与讨论分区域虽然与流径相