CLAM 用作超臨界水冷包層第一壁結(jié)構(gòu)材料的熱與應力性能分析

黨春輝，匡 波，魏 婷

（上海交通大學 核科學與工程學院，上海 200240）

實驗包層模塊（TBM）是聚變反應堆堆內(nèi)能量傳輸與轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。在TBM 的設(shè)計中，第一壁作為直接面對等離子體的部件，需承受來自等離子體、增殖區(qū)和結(jié)構(gòu)材料的高熱量，同時屏蔽部分輻射。因此，第一壁的熱工及結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要，不僅要承受很大的熱負載，而且要滿足機械性能要求。

超臨界水冷固態(tài)增殖包層概念設(shè)計在1999年被首次提出，該方案以低活化鐵素體／馬氏體鋼（RAFM）F82H 作為主要結(jié)構(gòu)材料。F82H 在強輻照下具有固有的幾何穩(wěn)定性、低熱膨脹系數(shù)、高熱導率等優(yōu)良特性，是目前具有最成熟的技術(shù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的RAFM［1］。

中國低活化馬氏體鋼（CLAM）是由中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院FDS團隊與國內(nèi)外多家研究所和大學合作研發(fā)的具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)、成分及性能優(yōu)化的RAFM，目前已發(fā)展到幾百公斤／噸級的冶煉水平，且性能與國外發(fā)展多年的RAFM（如EUROFER97、JLF-1等）的性能相當［2］。

本文利用數(shù)值分析軟件ANSYS的CFX 和Workbench模塊對TBM 第一壁進行單向流固耦合分析，考察CLAM 作為結(jié)構(gòu)材料的第一壁的溫度場和應力場，并分析結(jié)構(gòu)材料、冷卻管道形狀、結(jié)構(gòu)尺寸等條件對第一壁熱與應力分布的影響，為超臨界水冷TBM 熱工設(shè)計提供借鑒。

1 數(shù)值模擬參數(shù)及方法

1.1 模型及參數(shù)

在超臨界水冷固態(tài)增殖包層模塊的典型設(shè)計中，為充分冷卻高熱負荷的第一壁，以25 MPa、280 ℃的超臨界水作為冷卻劑，依次通過4個串聯(lián)子模塊第一壁部分的冷卻管道，在第一壁冷卻管道出口處溫度上升至約382 ℃。然后，冷卻水流經(jīng)串聯(lián)子模塊的增殖區(qū)部分，最終達到約510 ℃的出口溫度。冷卻管道高度為1 500mm，冷卻劑豎直向下流動，將冷卻管道的左右壁面設(shè)為對稱面，可選取1根管道對整個第一壁進行模擬。據(jù)此建立起第一壁冷卻管道的模型，有矩形、圓形兩種截面形狀，具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 冷卻管道幾何參數(shù)及邊界熱流密度Fig.1 Structure size and boundary heat flux of the first wall single cooling duct

在正常運行時，第一壁面向等離子體側(cè)的表面熱流密度約為0.27 MW／m2，但由于等離子體的MARFE 及環(huán)向場波紋度等現(xiàn)象的影響，會在局部出現(xiàn)0.5 MW／m2的高能熱流密度。為了給第一壁留有足夠的設(shè)計安全裕量，ITER 實驗包層工作組建議將第一壁的整體表面熱流密度取峰值［3］。同時，面向增殖區(qū)側(cè)的壁面接受由增殖材料核反應產(chǎn)生的0.4MW／m2的熱流密度；結(jié)構(gòu)材料在周圍射線和粒子的作用下會產(chǎn)生30 MW／m3的體熱流密度［4-6］。冷卻管道的工作參數(shù)列于表1。

表1 冷卻管道設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of cooling pipe

本文采用的結(jié)構(gòu)材料為CLAM 和F82H，熱物理性質(zhì)和力學性能列于表2［7-8］。表2 中所列物質(zhì)除熱膨脹系數(shù)外均為25～600℃的物性，熱膨脹系數(shù)為100～600℃的數(shù)值。CLAM的最高工作溫度上限為550 ℃，最大應力采用Von Mises等效應力，不能超過對應溫度下的許用應力［9］。由于CLAM 的物性數(shù)據(jù)基礎(chǔ)還較薄弱，許用應力隨溫度的變化尚在試驗測試中，故本文中采用屈服強度作為最大應力的判定標準。

表2 CLAM 和F82H 的性能對比Table 2 Property comparison of CLAM and F82H

1.2 流固耦合分析

本文利用ANSYS 的CFX 和Workbench模塊對第一壁流體域、固體域進行單向流固耦合分析［10］，即將CFX計算出的流固交界面處的對流換熱系數(shù)和溫度分布單向傳遞到Workbench的Steady-State Thermal和Static Structural模塊［11］，作為載荷和邊界條件進行傳熱學和靜力學分析，得出其溫度場和應力場。在CFX 計算中根據(jù)保守原則及文獻中的推薦［12］，采用SSG 湍流模型。

計算過程中CFX 和Workbench建立的模型及網(wǎng)格劃分情況均不相同。CFX 中冷卻管道全長1 500mm，Workbench中則只建立了靠近出口部分30mm 的模型，在保證計算精度的基礎(chǔ)上減小了計算量。CFX 中劃分網(wǎng)格時流體域采用O 型網(wǎng)格，固體域采用六面體網(wǎng)格；Workbench中均采用四面體網(wǎng)格，近壁面處的網(wǎng)格根據(jù)湍流模型的要求進行加密，以保證計算精度。

1.3 網(wǎng)格及敏感性分析

在圓形冷卻管道的計算模型中，流體域的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為248 800，固體域的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為122 800，總的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為371 600。對計算結(jié)果進行網(wǎng)格敏感性分析，將總的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)增加至557 400，在相同的邊界條件下進行計算，發(fā)現(xiàn)結(jié)果的相對偏差在2%以內(nèi)，所以采用節(jié)點較少的模型。以下計算中均采用逐次加密網(wǎng)格的方法得到網(wǎng)格無關(guān)解。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 不同材料對第一壁溫度場及應力場的影響

使用SSG 湍流模型，對圓形冷卻管道分別采用CLAM 和F82H 進行模擬計算，得出第一壁第4個包層子模塊結(jié)構(gòu)材料的溫度場和應力場分布，如圖2～4所示。

由圖2～4可看出：采用CLAM 的第一壁結(jié)構(gòu)材料最高溫度為538.6℃，低于CLAM 的最高使用溫度上限，最大應力為247.21 MPa，對應溫度為394.22 ℃，CLAM 在該溫度下的許用應力極限為458.68 MPa；采用F82H 時，最高溫度為519.33 ℃，最大應力為214.84MPa，均低于CLAM。

圖2 CFX 計算得出的結(jié)構(gòu)材料溫度場Fig.2 Temperature field of structural material calculated by CFX

圖3 Workbench計算得出的結(jié)構(gòu)材料溫度場Fig.3 Temperature field of structural material calculated by Workbench

綜上所述，使用CLAM 作為結(jié)構(gòu)材料時的第一壁最高溫度及最大應力均高于F82H 的。究其原因，主要是兩種材料的熱導率及熱膨脹系數(shù)的差異，從表2可看出，CLAM在25～600℃之間的熱導率明顯低于F82H 的，換熱能力相對較弱，使得結(jié)構(gòu)材料的溫度高于F82H；而其熱膨脹系數(shù)又略高于F82H，因此產(chǎn)生更大的熱膨脹和熱應力。

2.2 冷卻管道形狀對第一壁溫度場及應力場的影響

使用CLAM，分別計算第一壁結(jié)構(gòu)材料的溫度場及應力場。矩形截面情況下的溫度場及應力場分布如圖5所示。

由圖5可見：矩形冷卻管道的第一壁結(jié)構(gòu)材料最高溫度為524.23 ℃，低于圓形冷卻管道的最高溫度；結(jié)構(gòu)材料最大應力為459.53 MPa，對應溫度為391.93℃，遠高于圓形冷卻管道的最大應力，非常接近該溫度下的許用應力459.69MPa。

這主要是由于矩形冷卻管道的4 個角域強化了近壁面處的流體和主流流體的動量、熱量交換，改善了傳熱性能。同時，角域處也形成了應力集中，最大應力即出現(xiàn)在該處，且最大應力遠高于圓形冷卻管道。圖6 為矩形冷卻管道橫截面上的流場分布，由圖6可明顯觀測到流動的二次流特征。

圖4 Workbench計算得出的結(jié)構(gòu)材料應力場Fig.4 Stress field of structural material calculated by Workbench

圖5 CLAM 的溫度場和應力場Fig.5 Temperature and stress fields of CLAM

圖6 矩形冷卻管道橫截面上的流場分布Fig.6 Flow field distribution in rectangular cooling duct cross-section

2.3 管道幾何結(jié)構(gòu)對第一壁溫度場及應力場的影響

主要考察在CLAM 作為結(jié)構(gòu)材料、圓形冷卻管道的情況下，不同幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對第一壁溫度場及應力場的影響。保持其他幾何結(jié)構(gòu)不變，分別改變冷卻管道直徑和冷卻管道最小壁厚，計算并分析對溫度和應力分布的影響。

1）改變直徑

保持其他幾何結(jié)構(gòu)不變，增大或減小冷卻管道的直徑，結(jié)構(gòu)尺寸如圖7所示，冷卻管道直徑分別為7、8、9mm。計算并對比第一壁溫度及應力的變化，結(jié)果列于表3。

表3 不同直徑下溫度及應力的變化Table 3 Change of temperature and stress at different diameters

計算結(jié)果表明，冷卻管道直徑的改變對第一壁結(jié)構(gòu)材料的最高溫度有較大影響。隨著冷卻管道的直徑增大，最高溫度不斷降低，從7mm時的547.66 ℃降低到9mm 的517.39 ℃。這主要是由于冷卻管道的直徑直接決定了管道壁面與第一壁面向增殖區(qū)側(cè)的壁面之間的距離，而結(jié)構(gòu)材料的最高溫度均出現(xiàn)在該壁面。所以，當冷卻管道直徑增大時，該距離減小，壁面的換熱得到加強，最高溫度降低。

結(jié)構(gòu)材料的應力隨冷卻管道直徑的變化則較為復雜，主要是由于結(jié)構(gòu)材料的應力由一次應力和二次應力組成。一次應力由流體的內(nèi)壓引起，隨著冷卻管道的直徑增大而增大；二次應力由熱應力引起，隨管道直徑的增大，結(jié)構(gòu)材料溫度降低，二次應力也減小。因此改變管道直徑對應力造成的影響取決于一次應力和二次應力哪個占主導。

2）改變最小壁厚

保持其他幾何結(jié)構(gòu)不變，改變冷卻管道的最小壁厚，結(jié)構(gòu)尺寸如圖8所示，最小壁厚分別為1、1.5、2、2.5mm。計算并對比不同最小壁厚情況下第一壁的溫度及應力分布，結(jié)果列于表4。

由表4可看出，隨著冷卻管道最小壁厚的增大，第一壁的換熱能力降低，導致結(jié)構(gòu)材料的最高溫度不斷升高。而最大應力隨著最小壁厚的增大先減小后增大，在1.5mm 時最小，這主要是由于在冷卻管道直徑和流體內(nèi)壓不變的情況下，一次應力隨著最小壁厚的增大而減小，而二次壓力由于結(jié)構(gòu)材料溫度升高而增大，最大應力的變化趨勢取決于兩者的共同作用。

表4 不同最小壁厚下溫度及應力的變化Table 4 Changes of temperature and stress at different minimum wall thicknesses

3 結(jié)論

本文使用數(shù)值計算軟件ANSYS的CFX和Workbench兩個模塊，采用單向流固耦合的方法，分析了以CLAM 作為結(jié)構(gòu)材料的第一壁內(nèi)的流場、溫度場及應力場，并考察了材料、冷卻管道形狀、冷卻管道結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)的影響，為超臨界水冷TBM 的熱工設(shè)計提供熱與應力耦合的基本量值關(guān)系，得到以下結(jié)論。

圖7 不同冷卻管道直徑的結(jié)構(gòu)尺寸Fig.7 Structure size of cooling pipe at different diameters

圖8 不同壁厚下的冷卻管道結(jié)構(gòu)尺寸Fig.8 Structure size of cooling pipe at different wall thicknesses

1）采用CLAM 作為結(jié)構(gòu)材料，第一壁的最高溫度為538.6℃，最大應力為247.21MPa，均高于F82H 的計算結(jié)果（最高溫度為519.33 ℃，最大應力為214.84 MPa），但仍低于材料的工作溫度上限，并滿足結(jié)構(gòu)的應力要求；

2）矩形冷卻管道情況下，由于在角域處強化了近壁面流體和主流流體的動量和熱量交換，使得其傳熱性能優(yōu)于圓形管道，但角域處的應力集中也使得結(jié)構(gòu)材料的最大應力遠高于圓形管道，不過仍滿足結(jié)構(gòu)的應力要求，在第一壁的設(shè)計中要綜合權(quán)衡兩方面的影響；

3）增大圓形冷卻管道的直徑、減小冷卻管道的最小壁厚均能優(yōu)化第一壁結(jié)構(gòu)的傳熱性能，降低結(jié)構(gòu)材料的最高溫度，但是對結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部應力的影響則較為復雜，由一次應力和二次應力的變化共同決定。

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