臨界包層概念設(shè)計論文范文

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1總體結(jié)構(gòu)

以等離子工作腔為分界面，次臨界包層被分為內(nèi)包層和外包層兩部分［9］，考慮能在ITER裝置上實(shí)現(xiàn)包層便利地安裝拆卸，在總體結(jié)構(gòu)上，次臨界包層在環(huán)向360°被設(shè)計成36瓣。單瓣包層分別由第一壁（FirstWall，簡稱FW）結(jié)構(gòu)、支承結(jié)構(gòu)、燃料區(qū)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)氚區(qū)結(jié)構(gòu)、鋯包殼結(jié)構(gòu)和出入口匯管結(jié)構(gòu)等組成，環(huán)向張角為10°，徑向厚度為0．47m，極向高度為10．24m，在三維空間上呈“D”字型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2第一壁結(jié)構(gòu)

第一壁結(jié)構(gòu)是次臨界包層的重要功能部件，它需要承受熱載荷、14MeV高能中子和帶電粒子輻照的同時作用。為了提高第一壁材料抗輻照損傷的能力，選用低活化鐵素體／馬氏體（RAFM）F82H鋼材料。第一壁結(jié)構(gòu)如圖2所示，在第一壁的上下端及中間部位設(shè)計有燕尾結(jié)構(gòu)，其目的是使第一壁與燃料區(qū)一側(cè)的鋯包殼相互嵌合以固定第一壁，第一壁徑向厚度為10mm，內(nèi)外包層面向等離子體面積分別為7．55m2和13．89m2，結(jié)構(gòu)體積為0．21m3，質(zhì)量為1．69t。

3支承結(jié)構(gòu)

支承結(jié)構(gòu)由極向縱骨、加強(qiáng)筋板、周向筋骨、徑向筋骨等結(jié)構(gòu)組成。經(jīng)分析，次臨界包層結(jié)構(gòu)在運(yùn)行工況下受力復(fù)雜，共需承受重力、系統(tǒng)壓力和熱應(yīng)力三種主要外載荷，單瓣包層重量約30t，系統(tǒng)壓力是燃料區(qū)內(nèi)嵌冷卻劑管道所承受的15．5MPa水壓，熱應(yīng)力為燃料區(qū)中大量U－10Zr合金的裂變釋能而產(chǎn)生的沿極向和徑向的溫度梯度分布。為了實(shí)現(xiàn)對整個內(nèi)外包層在極向的結(jié)構(gòu)支承，在內(nèi)外包層中分別設(shè)計有4根極向縱骨，縱骨在內(nèi)外包層截面中的設(shè)計位置示意如圖3所示。在周向和徑向設(shè)計加強(qiáng)筋板、周向筋骨、徑向筋骨以提高包層的穩(wěn)定性以及整個支承結(jié)構(gòu)的剛性。支承結(jié)構(gòu)是由具有優(yōu)良抗彎和抗壓性能的SS316L（00Cr17Ni14Mo2）不銹鋼通過焊接加工制成，它是整個包層的支承和固定結(jié)構(gòu)［10］。以內(nèi)包層為例。

4燃料區(qū)結(jié)構(gòu)

燃料區(qū)結(jié)構(gòu)由裂變?nèi)剂蟄－10Zr合金、內(nèi)嵌冷卻劑壓力管和支承結(jié)構(gòu)中的加強(qiáng)筋板及部分徑向筋骨組成［11］。4．1燃料區(qū)燃料區(qū)是組成次臨界包層活性區(qū)的基本結(jié)構(gòu)單元，其主要功能是實(shí)現(xiàn)中子倍增和通過核反應(yīng)而產(chǎn)生大量裂變能，它是包層的主要釋熱部件。燃料采用U－10Zr合金，這主要是由于U－10Zr合金燃料鈾密度高，Zr對中子吸收少，實(shí)現(xiàn)能量輸出與放大性能好；二是合金燃料導(dǎo)熱系數(shù)大，利用內(nèi)嵌冷卻劑壓力管能夠及時地帶走活性區(qū)核熱；三是合金燃料可以更容易地進(jìn)行“簡單干法”后處理，可把燃料加熱到1700℃左右，達(dá)到沸點(diǎn)的裂變碎片便可去除燃料區(qū)。加強(qiáng)筋板和部分徑向筋骨承擔(dān)作用在燃料區(qū)的外載荷并把這些載荷傳遞到支承結(jié)構(gòu)上，同時加強(qiáng)筋板還兼顧對內(nèi)嵌冷卻劑壓力管的定位與導(dǎo)向作用。4．2內(nèi)嵌冷卻劑壓力管燃料區(qū)中6層內(nèi)嵌冷卻劑壓力管道被設(shè)計成由底至頂完全貫通的結(jié)構(gòu)，且按照三角形交錯排列。由于受ITER裝置本體結(jié)構(gòu)空間的約束，內(nèi)外包層隨著極向位置的變化而引起了管間距離和鈾－水體積比變化。外包層6層冷卻劑管道按48根與47根相間排布，共有285根，內(nèi)包層6層冷卻管道按32根與31根相間排布，共有189根。

5產(chǎn)氚區(qū)結(jié)構(gòu)

產(chǎn)氚區(qū)是整個聚變－裂變混合能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氚自持的關(guān)鍵功能結(jié)構(gòu)，產(chǎn)氚區(qū)結(jié)構(gòu)由氚增殖劑小球區(qū)、慢化冷卻水管、管間連接板、“蛇形”氦氣回路和支承結(jié)構(gòu)中部分徑向筋骨組成［12］。產(chǎn)氚區(qū)中的慢化冷卻劑管道和氚增殖劑小球區(qū)在空間上是互相獨(dú)立的單元。在結(jié)構(gòu)上，為了保證燃料區(qū)中富余的中子進(jìn)入產(chǎn)氚區(qū)后進(jìn)一步被慢化再與鋰－6反應(yīng)而生產(chǎn)氚，并及時帶走一部分多余的核熱，產(chǎn)氚區(qū)中慢化冷卻管道被設(shè)計成由底至頂完全貫通的結(jié)構(gòu)，由慢化冷卻管和管間連接板把產(chǎn)氚區(qū)分成9層，各層之間的空間便構(gòu)成了氚增殖劑小球填充區(qū)。為了形成“蛇形”氦氣回路，管間連接板的高度不等，形成高低錯位設(shè)計以便控制氦氣流動方向，部分徑向筋骨承擔(dān)作用在產(chǎn)氚區(qū)外載荷和傳遞來自燃料區(qū)的外載荷到支承結(jié)構(gòu)上。同樣，由于受ITER裝置本體結(jié)構(gòu)空間的約束，內(nèi)外包層隨著極向位置的變化而引起了慢化冷卻層和氚增殖劑厚度的相應(yīng)變化。

6鋯包殼結(jié)構(gòu)

鋯包殼是核燃料裂變產(chǎn)物的主要屏障，燃料區(qū)和產(chǎn)氚區(qū)均有鋯包殼完全包覆，從而防止裂變產(chǎn)物泄漏到活性區(qū)或整個包層，燃料區(qū)和產(chǎn)氚區(qū)的鋯包殼為一種箱匣式密封結(jié)構(gòu)。對于燃料區(qū)鋯包殼，由于在第一壁的上下端及中間部位設(shè)計有燕尾結(jié)構(gòu)（圖2），相應(yīng)地在燃料區(qū)徑向內(nèi)側(cè)的鋯包殼上設(shè)計有對應(yīng)的燕尾槽，如圖7所示。為了保證鋯包殼的結(jié)構(gòu)密封，在燃料區(qū)徑向內(nèi)側(cè)鋯包殼的周向側(cè)設(shè)計有金屬型擠壓密封卡槽，如圖8所示。從圖3可以看出，有2根極向縱骨設(shè)計在燃料區(qū)和產(chǎn)氚區(qū)包殼層頂角部位，相應(yīng)地在燃料區(qū)徑向外側(cè)鋯包殼頂角處設(shè)計有極向縱骨半槽。對于產(chǎn)氚區(qū)鋯包殼，由于有2根極向縱骨設(shè)計在燃料區(qū)和產(chǎn)氚區(qū)包殼層頂角部位（圖3），相應(yīng)地在產(chǎn)氚區(qū)徑向內(nèi)側(cè)鋯包殼頂角處設(shè)計有極向縱骨的另一半槽。同時由支承結(jié)構(gòu)可以看出，在周向兩側(cè)和徑向外側(cè)設(shè)計有徑向和周向筋骨，相應(yīng)地在產(chǎn)氚區(qū)周向兩側(cè)和徑向外側(cè)的鋯包殼上設(shè)計有筋骨貫穿槽。

7出入口匯管結(jié)構(gòu)

由于受ITER裝置本體結(jié)構(gòu)空間的約束［13－14］，次臨界包層的出入口匯管只能在有限空間中實(shí)現(xiàn)各類功能管道的匯總，其中包括燃料區(qū)中的大量內(nèi)嵌冷卻劑壓力管、產(chǎn)氚區(qū)中慢化冷卻水管和氦氣管?？紤]大量冷卻劑壓力管與匯總管之間焊接的可操作性，在燃料區(qū)的上下端部先設(shè)計一個焊接頂蓋。燃料區(qū)的內(nèi)嵌冷卻劑壓力管先匯入上下環(huán)形總管中，該匯總管再與ITER上下端口出入口總管相接并引出到外面的主回路系統(tǒng)。在產(chǎn)氚區(qū)中，慢化冷卻管和氚載帶管均采用“蛇形”流氣結(jié)構(gòu)設(shè)計，這樣9層慢化冷卻管只需要匯總一次后連接慢化冷卻總管，再經(jīng)ITER上下端口出入口總管引出到外面的氚回路系統(tǒng)。對于氚載帶管，先在產(chǎn)氚區(qū)上下端設(shè)計有出氣和進(jìn)氣槽，然后再通過氚載帶管把進(jìn)出氣槽的載帶氣體引入到氚載帶氣總管內(nèi)，再經(jīng)ITER上下端口出入口總管引出到外面的氚回路系統(tǒng)，以出口為例燃料區(qū)和產(chǎn)氚區(qū)匯管結(jié)構(gòu)如圖11所示。

8結(jié)論

由于ITER裝置上現(xiàn)有的屏蔽包層模塊和產(chǎn)氚包層模塊均是采用小模塊結(jié)構(gòu)，數(shù)量多達(dá)421塊，裝拆工作量大而且支撐結(jié)構(gòu)方案無法直接移植借用，所以本文提出了整體式內(nèi)置次臨界包層支承結(jié)構(gòu)，這樣可以使包層裂變?nèi)剂蠀^(qū)冷卻劑管道設(shè)計得到很大的簡化，降低包層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、縮短換料周期、提高工作效率和節(jié)約成本。考慮到ITER裝置本體結(jié)構(gòu)空間對次臨界包層的約束限制，提出了一種可行的次臨界包層裂變?nèi)剂蠀^(qū)冷卻劑管道、產(chǎn)氚區(qū)H2O慢化劑管道和氦氣載帶等功能管道的出入口匯管結(jié)構(gòu)，這樣既不會和ITER裝置的上端口和下端口發(fā)生沖突，又能滿足包層的熱工流體和焊接安裝的可操作性要求。針對包層結(jié)構(gòu)本體的各個組成部件，結(jié)合現(xiàn)有的工藝和技術(shù)條件［15］，開展了次臨界包層總體結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，這為后續(xù)的包層力學(xué)性能分析輸出了有限計算模型。

作者：曾和榮黃洪文劉志勇李正宏錢達(dá)志梁尚明郭海兵馬紀(jì)敏王少華宋娟單位：中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院