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CFETR先进小样品辐照胶囊优化与热工安全分析

刘畅 刘文斌 戴勇 孙寿华 张平 康长虎 宋霁阳 王凯民 彭蕾 郑鹏飞

刘畅, 刘文斌, 戴勇, 孙寿华, 张平, 康长虎, 宋霁阳, 王凯民, 彭蕾, 郑鹏飞. CFETR先进小样品辐照胶囊优化与热工安全分析[J]. 核动力工程, 2024, 45(2): 139-146. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.02.0139
引用本文: 刘畅, 刘文斌, 戴勇, 孙寿华, 张平, 康长虎, 宋霁阳, 王凯民, 彭蕾, 郑鹏飞. CFETR先进小样品辐照胶囊优化与热工安全分析[J]. 核动力工程, 2024, 45(2): 139-146. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.02.0139
Liu Chang, Liu Wenbin, Dai Yong, Sun Shouhua, Zhang Ping, Kang Changhu, Song Jiyang, Wang Kaimin, Peng Lei, Zheng Pengfei. Optimization and Thermal Safety Analysis of CFETR Advanced Small Sample Irradiation Capsule[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(2): 139-146. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.02.0139
Citation: Liu Chang, Liu Wenbin, Dai Yong, Sun Shouhua, Zhang Ping, Kang Changhu, Song Jiyang, Wang Kaimin, Peng Lei, Zheng Pengfei. Optimization and Thermal Safety Analysis of CFETR Advanced Small Sample Irradiation Capsule[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(2): 139-146. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.02.0139

CFETR先进小样品辐照胶囊优化与热工安全分析

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.02.0139
基金项目: 国家磁约束核聚变能发展研究专项(2018YFE0307100)
详细信息
    作者简介:

    刘 畅(1995—),男,助理研究员,主要从事反应堆物理与热工方面的研究,E-mail: 935311019@qq.com

  • 中图分类号: TK124;TL333

Optimization and Thermal Safety Analysis of CFETR Advanced Small Sample Irradiation Capsule

  • 摘要: 中国聚变工程试验堆(CFETR)先进材料辐照考验样品所在胶囊结构较为复杂,其内部填充氦气,胶囊肋条尺寸、位置以及胶囊内部填充材料对样品温度影响大。基于STAR-CCM+程序建立CFETR先进小样品辐照装置内胶囊全尺寸模型,针对样品的目标温度,对胶囊的肋条和填充材料进行了调整。对于胶囊内整体样品释热率较低的情况,采用释热率较大的钨材料作为填充材料,可以明显提高整体样品温度;对于局部样品释热率差别较大的情况,调整局部肋条的尺寸和位置,能够很好控制样品间的温度,使样品计算温度满足目标温度范围。结果表明:采用上述方法进行优化后,样品中心温度能够满足目标温度范围,且满足入高通量工程试验堆(HFETR)辐照的热工安全,保证整个辐照任务能够顺利开展。

     

  • 图  1  HFETR辐照试验样品结构 mm

    Φ—直径;R—半径

    Figure  1.  HFETR Irradiation Test Sample Structure

    图  2  胶囊内样品布置 mm

    Figure  2.  Sample Layout in Each Capsule

    图  3  辐照装置内胶囊排布

    Figure  3.  Arrangement of Capsules in the Irradiation Device

    图  4  燃料组件中心孔道辐照胶囊结构

    Figure  4.  Structure of Irradiation Capsule in Fuel Assembly Center Channel

    图  5  胶囊内样品释热率轴向分布曲线

    Figure  5.  Axial Distribution Curve of Heat Release Rate of Sample in Capsule      

    图  6  I-04结构

    Figure  6.  Structure of I-04

    图  7  I-04网格划分图

    Figure  7.  Grid Division Diagram for I-04

    图  8  I-04肋管与填充物的初始结构和材料 mm

    数字表示肋条宽度,下同

    Figure  8.  Initial Structure and Material of Ribbed Tube and Filler of I-04

    图  9  I-04内小样品温度场

    Figure  9.  Temperature Field of Small Sample in I-04

    图  10  填充材料分布

    Figure  10.  Distribution of Filling Materials

    图  11  不同填充材料温度计算结果

    Figure  11.  Temperature Calculation Results of Different Filling Materials

    图  12  肋管结构 mm

    Figure  12.  Structure of Ribbed Tube

    图  13  不同肋管结构温度计算结果

    Figure  13.  Temperature Calculation Results of Different Ribbed Tube Structures

    图  14  优化调整方式 mm

    Figure  14.  Optimization Adjustment

    图  15  不同优化调整方式温度计算结果

    Figure  15.  Temperature Calculation Results of Different Optimization and Adjustment

    图  16  优化调整后I-04各样品温度分布

    Figure  16.  Temperature Distribution of Each Sample in I-04 after Optimization Adjustment

    表  1  胶囊内样品材料、数量和辐照目标温度

    Table  1.   Material, Quantity and Irradiation Target Temperature of Each Capsule Sample

    胶囊类型 区域 样品类型 材料 数量 目标温度/℃
    I-01 Section A Hardness 铜合金 1 200~300
    TC 2
    Section B Tensile 不锈钢 4
    铜合金 4
    Section C Tensile 不锈钢 8
    Section D TEM 不锈钢 16
    铜合金 8
    钨合金 4
    涂层 4
    Section E Hardness 钨合金 1
    铜合金 1
    不锈钢 3
    I-02 SectionA TC 铜合金 2 200~300
    钨合金 2
    Section B Tensile 铜合金 4
    钨合金 4
    Section C Bend 钨合金 6
    Section D TC 铜合金 2
    不锈钢 10
    I-03 Section A TC 铜合金 2 400~450
    Hardness 1
    Section B Tensile 铜合金 4
    不锈钢 4
    Section C Tensile 不锈钢 8
    Section D Hardness 不锈钢 3
    Section E TC 不锈钢 10
    Section F TEM 不锈钢 20
    铜合金 4
    I-04 SectionA TC 不锈钢 4 500~550
    Section B Tensile 不锈钢 8
    Section C Tensile 不锈钢 8
    Section D Hardness 不锈钢 3
    钨合金 2
    Section E TC 不锈钢 6
    Section F TEM 不锈钢 16
    钨合金 8
    I-05 Section A TC 钨合金 4 500~550
    Section B Tensile 钨合金 8
    Section C Bend 钨合金 6
    Section D Bend 钨合金 6
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    表  2  I-04样品材料释热率与目标温度

    Table  2.   Heat Release Rate and Target Temperature of Sample I-04

    胶囊类型 材料类型 释热率/(W·g−1 目标温度/℃
    I-04 钨合金 18.98~19.67 500~550
    不锈钢 12.96~13.52
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    表  3  各样品温度及其对应目标温度

    Table  3.   Temperature of Each Sample and Corresponding Target Temperature

    样品位置 样品计算温度/℃ 样品目标温度/℃
    Section A 379~427 500~550
    Section B 353~451
    Section C 331~484
    Section D 469~519
    Section E 420~481
    Section F 396~429
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    表  4  肋条所在位置和尺寸

    Table  4.   Location and Dimensions of Ribs

    类型 位置/mm 肋条宽度/mm
    肋管结构1 0 5
    30 2
    48 1
    75 5
    肋管结构2 48 2
    肋管结构3
      按结构图从左至右,以肋左侧标定其所在位置
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    表  5  优化调整后肋条所在位置和尺寸

    Table  5.   Position and Size of Rib after Optimization Adjustment      

    类型 位置/mm 肋条宽度/mm
    优化调整1 0 5
    30.5 1
    49 2
    75 5
    优化调整2 0 5
    30.5 1
    49 2
    75 5
    优化调整3 0 5
    22.5 1
    38.5 1
    48 2
    75 5
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    表  6  I-04样品计算温度与热熔丝温度

    Table  6.   Calculated Temperature and Hot Fuse Temperature of Sample in I-04

    样品所在区域 样品计算
    温度/℃
    热熔丝计算
    温度/℃
    外侧铝管
    温度/℃
    Section A 499~523 70~79
    Section B 497~535 553~557
    551~554
    Section C 485~532 551~554
    547~550
    Section D 500~542
    Section E 488~515
    Section F 489~504
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-29
  • 修回日期:  2023-07-16
  • 刊出日期:  2024-04-12

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