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CFETR氦冷固态包层第一壁设计优化与瞬态热工安全分析
CFETR氦冷固态包层第一壁设计优化与瞬态热工安全分析
摘要：
CFETR是中国聚变研究中心正在研制的大型跨国聚变实验装置。为保证实验装置的正常运行，设计和优化氦冷固态包层第一壁是非常重要的一部分。该论文重点研究了氦冷固态包层第一壁设计优化和瞬态热工安全分析，通过建立CFETR氦冷固态包层第一壁的数值模型进行仿真分析，对其进行了设计优化和瞬态热工安全分析。研究结果表明，在壁面散热系数一定条件下，选用合适的包层厚度及壁面温度控制方式，可以优化第一壁的设计，从而提高CFETR的运行效率和安全性。
关键词：CFETR；氦冷固态包层；第一壁；设计优化；瞬态热工安全分析
Abstract:
CFETRisalarge-scaleinternationalfusionexperimentdevicebeingdevelopedbyChinaFusionResearchCenter.Inordertoensurethenormaloperationoftheexperimentaldevice,thedesignandoptimizationofthefirstwallofthehelium-cooledsolidblanketisaveryimportantpart.Thepaperfocusesonthedesignoptimizationandtransientthermalsafetyanalysisofthehelium-cooledsolidblanketfirstwall,andsimulatesandanalyzesitbyestablishinganumericalmodelofCFETRhelium-cooledsolidblanketfirstwall.Theresearchresultsshowthatundertheconditionsofwallsurfaceheatdissipationcoefficient,theselectionofappropriateblanketthicknessandwalltemperaturecontrolmethodscanoptimizethedesignofthefirstwall,therebyimprovingtheoperatingefficiencyandsafetyofCFETR.
Keywords:CFETR;helium-cooledsolidblanket;firstwall;designoptimization;transientthermalsafetyanalysis
正文：
一、引言
CFETR装置是中国聚变研究中心正在研制的大型跨国聚变实验装置。其中，氦冷固态包层是设计中的重要组成部分。包层通过吸收反应堆中的中子能量，并通过冷却和循环系统将其转移，从而保持反应堆的正常运行。第一壁是包层中的一个部分，其主要作用是抵御反应堆内部高温和辐照等因素的影响，保护反应堆内部设备。因此，包层第一壁的设计优化和瞬态热工安全分析是保证CFETR正常运行的关键。
二、氦冷固态包层第一壁设计优化
1.第一壁材料
根据融合反应堆的特殊工况和要求，CFETR包层第一壁的材料应具有较高的耐热、辐射和热膨胀性能，并且不会对聚变物质产生污染和损伤。常用的第一壁材料有纯钨、钨合金、铬合金和铜合金。经过分析比较，纯钨是最好的选择，具有较高的耐热性和膨胀性能，对聚变物质不会产生负面影响。
2.包层厚度
CFETR包层第一壁的厚度应根据反应堆工作条件和第一壁材料的膨胀性能来确定。过厚的包层会导致材料表面温度过高，过薄的包层会影响包层的功能和保护反应堆内部设备的效果。一般而言，第一壁的厚度应选用0.5-1毫米左右。
3.热防护层
CFETR包层第一壁的表面应覆盖一层高温热防护材料，以保护反应堆内部设备。热防护层的选择应根据实验条件、工程要求和环境温度来确定。目前常用的热防护材料有碳纤维复合材料、碳化硅和石墨等。
三、瞬态热工安全分析
CFETR的正常运行需要保证其在高温和辐射等环境下的安全性。瞬态工况是一个重要的考验，为了保证CFETR的安全性，在设计过程中应对瞬态工况进行热力学仿真分析和安全性评估。
1.热力学仿真分析
CFETR包层第一壁在正常工作过程中会受到辐射和高温等因素的影响，因此需要进行热力学仿真分析。该仿真分析应包括第一壁的热传导和传热特性、包层和冷却管的温度分布和热应力分析等。
2.安全性评估
采用ANSYS仿真软件建立CFETR数值模型，通过数值模拟、热学仿真分析及强度和可靠性分析等方法，对CFETR的瞬态热力学特性、承受辐射的能力、结构稳定性和安全性等进行评估。涉及到的评估指标包括最大热荷和峰值应力等。
四、结论