CFETR屏蔽包層冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其熱工分析

郭騰蛟 彭湃 孫紅攀 蘇萬松 田書建

摘 要：屏蔽包層是中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）的重要部件，起著實(shí)現(xiàn)能量輸運(yùn)、輻射屏蔽、熱屏蔽等重要作用，其設(shè)計(jì)的合理性既關(guān)系到屏蔽包層結(jié)構(gòu)的完整性，也影響著屏蔽包層功能的有效性?，F(xiàn)首先根據(jù)屏蔽包層內(nèi)的熱源分布，完成屏蔽包層內(nèi)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì);隨后為驗(yàn)證屏蔽包層設(shè)計(jì)的合理性，采用有限元ANSYS FLUENT對(duì)屏蔽包層的冷卻劑流速場、壓力場和包層模塊溫度進(jìn)行模擬計(jì)算與分析。研究結(jié)果表明，冷卻劑最大流速、最高溫度、最大壓強(qiáng)分別為4.39 m/s、201 ℃和4.01 MPa，進(jìn)出口壓降約為0.01 MPa，進(jìn)出口溫度差值約為11.9 ℃，屏蔽包層模塊最高溫度為373.4 ℃，所有熱工參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）;屏蔽包層;熱工水力分析;有限元分析

中圖分類號(hào)：TL62+7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）10-0032-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.009

0? ? 引言

中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）是一個(gè)介于國際熱聚變實(shí)驗(yàn)堆與未來聚變示范堆之間的聚變實(shí)驗(yàn)裝置，目前正處于設(shè)計(jì)階段。它的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)聚變功率為長脈沖或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，驗(yàn)證聚變堆氚自持，探索遠(yuǎn)程操作技術(shù)以及獲得示范堆級(jí)別聚變電站許可文件的技術(shù)途徑[1]。屏蔽包層是CFETR的重要部件之一，在CFETR中起著屏蔽中子輻射、進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化、保護(hù)其他設(shè)備的重要作用。然而，屏蔽包層釋熱量很大，需要進(jìn)行復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以保證屏蔽包層溫度在合理范圍之內(nèi)。

目前國內(nèi)外已經(jīng)建成的托卡馬克裝置中均不含有包層部件，此外，對(duì)于未來核聚變堆包層的研究工作，也主要集中在增殖包層。已公開的最完善的包層設(shè)計(jì)參考資料是關(guān)于ITER屏蔽包層的。ITER屏蔽包層采用模塊化設(shè)計(jì)方案，內(nèi)包層環(huán)向20°為一個(gè)扇形段，外包層環(huán)向10°為一個(gè)扇形段，整個(gè)包層系統(tǒng)包括18個(gè)內(nèi)包層扇形段和36個(gè)外包層扇形段，每個(gè)內(nèi)包層扇形區(qū)又分為6個(gè)子模塊，外包層分為12個(gè)子模塊。ITER屏蔽包層的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了充分而又漫長的時(shí)間，相對(duì)比較完善，是CFETR屏蔽包層設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)，兩者相似，但不完全相同，如CFETR至少75%的包層面積區(qū)域覆蓋增殖包層模塊，從而保證氚增殖比;而ITER則沒有氚增殖比的要求，僅在3個(gè)窗口處布置有6個(gè)實(shí)驗(yàn)包層模塊以測(cè)試產(chǎn)氚。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊浩等人[2-3]對(duì)CFETR和ITER屏蔽包層設(shè)計(jì)的不同點(diǎn)做了較好的總結(jié)，并根據(jù)CFETR概念設(shè)計(jì)階段對(duì)屏蔽包層提出的工程和物理要求以及CFETR真空室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完成了CFETR屏蔽包層的總體概念設(shè)計(jì)、屏蔽材料研究和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)也進(jìn)行了相關(guān)的性能分析研究。

為確保屏蔽包層的安全運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行熱工、流體等基本性能的研究是十分必要的。核工業(yè)西南物理研究院的張秀杰等人[4]對(duì)ITER的屏蔽包層屏蔽塊進(jìn)行了熱工水力方面的分析，通過數(shù)值模擬分析了壁面粗糙度對(duì)流動(dòng)及傳熱的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析認(rèn)為：壁面粗糙度越大越利于傳熱，其流速、對(duì)流換熱系數(shù)隨著粗糙度的增加而變大;粗糙度變大增加了流體在流動(dòng)過程中的阻力，因此也增大了壓降。意大利羅馬Sapienza大學(xué)的Cristiano Ciurluini、Fabio Giannetti等人[5]對(duì)ITER實(shí)驗(yàn)包層模塊的水冷系統(tǒng)進(jìn)行了熱工水力建模和分析，根據(jù)分析結(jié)果，作者認(rèn)為維持水冷系統(tǒng)的穩(wěn)定，需要添加一個(gè)電加熱器。中科院等離子研究所成曉曼等人[6]為使CFETR的包層流量分布更均勻，對(duì)水冷陶瓷增殖包層的主傳熱系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，借助ANSYS對(duì)包層正常和事故工況下的熱工水力性能進(jìn)行分析，驗(yàn)證了優(yōu)化包層設(shè)計(jì)的可行性。

屏蔽包層是未來聚變堆不可或缺的部件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和安全性對(duì)于聚變堆的安全運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。鑒于目前對(duì)CFETR聚變堆屏蔽包層的設(shè)計(jì)及熱工研究較少，本文根據(jù)CFETR的屏蔽包層設(shè)計(jì)要求，開展了屏蔽包層水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，提出一種溫度分布合理、結(jié)構(gòu)較為簡單、進(jìn)出口壓降較小、流速適當(dāng)?shù)钠帘伟鼘咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了達(dá)到CFETR的屏蔽包層設(shè)計(jì)要求，根據(jù)屏蔽包層內(nèi)熱源的分布規(guī)律，設(shè)計(jì)了屏蔽包層冷卻系統(tǒng)。利用流體計(jì)算軟件FLUENT對(duì)屏蔽包層冷卻系統(tǒng)的壓力場、流速場和包層模塊的溫度場進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)屏蔽包層水冷系統(tǒng)方案的合理性。本文的研究對(duì)未來聚變堆屏蔽包層的設(shè)計(jì)工作具有一定的指導(dǎo)作用。

1? ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

屏蔽包層附著在真空室內(nèi)壁上，真空室內(nèi)壁是一個(gè)三維弧面且表面積很大，根據(jù)所處位置的不同，將屏蔽包層分為增殖區(qū)域和偏濾器區(qū)域兩個(gè)部分。屏蔽包層模塊通過柔性連接方式與真空室結(jié)合在一起。屏蔽包層模塊在部分事件（如等離子體破裂或垂直位移）發(fā)生時(shí)可能會(huì)受到復(fù)雜的電磁荷載的影響，因此在包層模塊兩側(cè)設(shè)計(jì)了鍵槽以承受電磁荷載。文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果顯示：位于高場側(cè)包層赤道面處的15號(hào)屏蔽包層模塊，中子計(jì)數(shù)值最高。因此，本文針對(duì)15號(hào)屏蔽包層模塊內(nèi)的冷卻系統(tǒng)管道進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，并采用有限元ANSYS FLUENT對(duì)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的冷卻劑流速場、壓力場和包層模塊溫度進(jìn)行模擬計(jì)算與分析。CFETR等離子體與屏蔽包層剖面分布如圖1所示。

參考ITER的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可以確定本次設(shè)計(jì)的要求。屏蔽包層結(jié)構(gòu)材料最高溫度不超過RAFM鋼的許用溫度550 ℃，冷卻水的最高溫度不超過4 MPa下水的飽和溫度250.4 ℃，冷卻水最大流速不超過6.5 m/s，冷卻劑總壓降不超過0.5 MPa。

1.1? ? 屏蔽包層冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模塊外部尺寸參考文獻(xiàn)[3]中模塊的外部尺寸，如表1所示。

CFETR正處于工程設(shè)計(jì)階段，故模塊內(nèi)的熱源分布使用ITER的熱源公式表示[7]：

NL=8 674 000e-9.83x[4]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：NL為中子核熱沉積（W/m3）;x在ITER中為屏蔽包層模塊內(nèi)一點(diǎn)到第一壁的徑向距離，考慮到CFETR增殖包層的影響，x應(yīng)為屏蔽包層模塊內(nèi)一點(diǎn)到模塊面向等離子體一側(cè)面的距離（m）。

由公式（1）可知，屏蔽包層前端的發(fā)熱功率更高，據(jù)此確定了模塊的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。如圖2所示，冷卻系統(tǒng)管道可以分為五部分：（1）入口管道直徑90 mm，徑向深度480 mm;（2）出口管道外徑125 mm，內(nèi)徑100 mm，徑向深度300 mm;（3）前端極向管道直徑60 mm，軸心距前壁面50 mm，極向長度為1 070 mm;（4）后端極向管道是兩個(gè)對(duì)稱的矩形管道，矩形環(huán)向?qū)挾葹?0 mm，徑向?qū)挾葹?2.5 mm，矩形中心距極向?qū)ΨQ面62.5 mm，距前壁面236.25 mm，極向深度為1 070 mm;（5）分支管的間距為100 mm，共有11組，管道直徑均為50 mm，環(huán)向管道長度為975 mm，極向管道長度為240 mm。

此外，為了保證模塊后端的冷卻，降低流道壓降，減小冷卻劑最大流速，在屏蔽包層模塊的后半部分內(nèi)增加了冷卻系統(tǒng)管道，管道直徑均為30 mm，每側(cè)有四列管道，延長到徑向距面向等離子體面為460 mm處;在新增冷卻系統(tǒng)管道末端增加了環(huán)向半圓形冷卻系統(tǒng)管道，并增加兩組極向矩形管道，使該部分冷卻劑有足夠的壓力差產(chǎn)生流動(dòng);同時(shí)，將由于柔性連接槽存在而不能采用上述方法的四個(gè)冷卻劑管道改為U形管?？紤]到新增極向矩形管道與出口距離較小，影響了模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，因此將進(jìn)出口管道延長100 mm，出口外壁直徑135 mm。最終設(shè)計(jì)的屏蔽包層模塊1/4三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2? ? 模型建立

基于以上幾何模型，對(duì)流體和結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4和圖5所示。整體網(wǎng)格劃分網(wǎng)格Skewness評(píng)價(jià)的平均值為0.22，網(wǎng)格質(zhì)量良好。網(wǎng)格總數(shù)為10 226 040，流體域網(wǎng)格總數(shù)為4 387 832。其中邊界層設(shè)置為5層，膨脹比設(shè)置為1.2。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行敏感性分析得到，其結(jié)果差異在1%～3%，符合網(wǎng)格敏感性分析要求。

1.3? ? 負(fù)載與邊界條件

屏蔽包層穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，冷卻劑單位時(shí)間帶出熱量的功率等于屏蔽包層模塊的發(fā)熱功率。忽略冷卻系統(tǒng)管道對(duì)屏蔽包層模塊慢化能力的影響，采用公式（2）對(duì)15號(hào)屏蔽包層模塊熱源進(jìn)行積分，得到冷卻劑帶出熱量的功率P：

P=1.1■NLdx+0.940 3■NLdx? ? ? ? ? ?（2）

經(jīng)計(jì)算可知，15號(hào)屏蔽模塊上熱負(fù)載約為0.96 MW。考慮到冷卻系統(tǒng)管道的影響，模塊實(shí)際熱負(fù)載小于該值。

參考ITER設(shè)計(jì)要求，選取冷卻水入口溫度為100 ℃，冷卻劑出口壓力為4 MPa。暫定冷卻劑進(jìn)出口溫差為15 ℃，取110 ℃水的定壓比熱容作為平均定壓比熱容，則冷卻劑的質(zhì)量流量為：

qm=■≈15 kg/s? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：ΔT為進(jìn)出口溫差（K）;cp=4.22 kJ/（kg·K），為4 MPa、110 ℃時(shí)水的定壓比熱容。

綜上所述，屏蔽包層增殖區(qū)域冷卻系統(tǒng)的邊界條件為：冷卻劑入口質(zhì)量流量為15 kg/s，冷卻劑入口溫度為100 ℃，冷卻劑出口壓力為4 MPa。

在CFD模型中，由于冷卻水溫度變化幅度較小且水壓較高，冷卻過程無相變。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，所有結(jié)構(gòu)材料均采用316L不銹鋼，材料性能參數(shù)由相關(guān)文件提供[8]。熱工水力學(xué)分析采用商用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件ANSYS CFX來完成。

2? ? 結(jié)果與討論

2.1? ? 冷卻劑流速

1/4冷卻劑管道壁面冷卻劑流速分布如圖6所示。由圖6可知，冷卻劑的最大速度位于新增極向主管道和出口管道連接處之后，最大流速約為4.39 m/s，流速分布符合設(shè)計(jì)目標(biāo)中冷卻劑流速小于等于6.5 m/s的要求。

2.2? ? 冷卻劑壓力

冷卻系統(tǒng)管道內(nèi)的壓力分布云圖如圖7所示。由圖7可知，管道內(nèi)壓力最大約為4.01 MPa，位于入口管道的末端，分析認(rèn)為由于冷卻劑的流動(dòng)方向、管道形狀等在該處發(fā)生了較大變化，該處壓力較大;入口壓力約為4.01 MPa，進(jìn)出口壓降約為0.01 MPa，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)中壓降小于0.5 MPa的要求。冷卻劑進(jìn)出口壓差較小，分析認(rèn)為這是由于新增管道與原有冷卻劑管道相當(dāng)于并聯(lián)，降低了管道內(nèi)的冷卻劑流速，從而減小了冷卻系統(tǒng)管道內(nèi)的流動(dòng)損失。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，出口管道與后端極向主管道以及新增極向主管道連接處的壓力變化較緩，分析認(rèn)為是新增管道增加了極向主管道與入口的有效截面面積，減小了流速;冷卻劑分兩次匯入入口管道這兩個(gè)因素導(dǎo)致該處壓降變小。

2.3? ? 溫度分布

屏蔽包層模塊及冷卻系統(tǒng)管道溫度分布如圖8所示。由圖8可知，屏蔽包層模塊的最高溫度位于該模塊的前半部分冷卻系統(tǒng)管道之間，屏蔽包層固體域的最高溫度約為373.4 ℃，低于屏蔽材料的許用溫度550 ℃;在冷卻系統(tǒng)管道內(nèi)，冷卻劑的最高溫度約為201 ℃，明顯低于4 MPa下水的飽和溫度;冷卻劑平均出口溫度約為119.9 ℃，進(jìn)出口溫差約為11.9 ℃。

由以上分析可知，屏蔽包層模塊的最高溫度低于屏蔽模塊許用溫度，有近200 ℃的溫度裕量;冷卻劑的最高溫度也比4 MPa下的冷卻劑有約50 ℃的過冷度。所有模擬結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

3? ? 結(jié)語

本研究首先根據(jù)屏蔽包層內(nèi)的熱源分布，完成屏蔽包層內(nèi)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，之后采用有限元ANSYS FLUENT對(duì)屏蔽包層的冷卻劑流速場、壓力場和包層模塊溫度進(jìn)行模擬計(jì)算與分析。冷卻劑最大流速、最高溫度、最大壓強(qiáng)分別為4.39 m/s、201 ℃和4.01 MPa，進(jìn)出口壓降約為0.01 MPa，進(jìn)出口溫度差值約為11.9 ℃，屏蔽包層模塊最高溫度為373.4 ℃，所有熱工參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。鑒于模塊內(nèi)固體域有較大的溫度裕度，管道設(shè)計(jì)有進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)以降低管道復(fù)雜度及其制造難度的空間。

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收稿日期：2022-02-24

作者簡介：郭騰蛟（2001—），男，河南洛陽人，研究方向：能源與動(dòng)力工程。

通信作者：田書建（1985—），男，河南虞城人，博士，講師，主要從事反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料服役性能分析與熱工模擬方面的研究工作。