CFETR屏蔽包層冷卻系統設計及其熱工分析

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驗堆（CFETR）的重要部件，起著實現能量輸運、輻射屏蔽、熱屏蔽等重要作用，其設計的合理性既關系到屏蔽包層結構的完整性，也影響著屏蔽包層功能的有效性?，F首先根據屏蔽包層內的熱源分布，完成屏蔽包層內冷卻系統的設計;隨后為驗證屏蔽包層設計的合理性，采用有限元ANSYS FLUENT對屏蔽包層的冷卻劑流速場、壓力場和包層模塊溫度進行模擬計算與分析。研究結果表明，冷卻劑最大流速、最高溫度、最大壓強分別為4.39 m/s、201 ℃和4.01 MPa，進出口壓降約為0.01 MPa，進出口溫度差值約為11.9 ℃，屏蔽包層模塊最高溫度為373.4 ℃，所有熱工參數均達到了設計要求。

關鍵詞：中國聚變工程實驗堆（CFETR）;屏蔽包層;熱工水力分析;有限元分析

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

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

0? ? 引言

中國聚變工程實驗堆（CFETR）是一個介于國際熱聚變實驗堆與未來聚變示范堆之間的聚變實驗裝置，目前正處于設計階段。它的主要目標是實現聚變功率為長脈沖或穩態運行，驗證聚變堆氚自持，探索遠程操作技術以及獲得示范堆級別聚變電站許可文件的技術途徑[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、進行能量轉化、保護其他設備的重要作用。然而，屏蔽包層釋熱量很大，需要進行復雜的冷卻系統設計，以保證屏蔽包層溫度在合理范圍之內。

目前國內外已經建成的托卡馬克裝置中均不含有包層部件，此外，對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計參考資料是關于ITER屏蔽包層的。ITER屏蔽包層采用模塊化設計方案，內包層環向20°為一個扇形段，外包層環向10°為一個扇形段，整個包層系統包括18個內包層扇形段和36個外包層扇形段，每個內包層扇形區又分為6個子模塊，外包層分為12個子模塊。ITER屏蔽包層的設計經歷了充分而又漫長的時間，相對比較完善，是CFETR屏蔽包層設計的重要參考依據，兩者相似，但不完全相同，如CFETR至少75%的包層面積區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個窗口處布置有6個實驗包層模塊以測試產氚。中國科學技術大學楊浩等人[2-3]對CFETR和ITER屏蔽包層設計的不同點做了較好的總結，并根據CFETR概念設計階段對屏蔽包層提出的工程和物理要求以及CFETR真空室的結構特點，完成了CFETR屏蔽包層的總體概念設計、屏蔽材料研究和冷卻系統設計，同時也進行了相關的性能分析研究。

為確保屏蔽包層的安全運行，對其進行熱工、流體等基本性能的研究是十分必要的。核工業西南物理研究院的張秀杰等人[4]對ITER的屏蔽包層屏蔽塊進行了熱工水力方面的分析，通過數值模擬分析了壁面粗糙度對流動及傳熱的影響，根據計算結果分析認為：壁面粗糙度越大越利于傳熱，其流速、對流換熱系數隨著粗糙度的增加而變大;粗糙度變大增加了流體在流動過程中的阻力，因此也增大了壓降。意大利羅馬Sapienza大學的Cristiano Ciurluini、Fabio Giannetti等人[5]對ITER實驗包層模塊的水冷系統進行了熱工水力建模和分析，根據分析結果，作者認為維持水冷系統的穩定，需要添加一個電加熱器。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，對水冷陶瓷增殖包層的主傳熱系統進行了優化，借助ANSYS對包層正常和事故工況下的熱工水力性能進行分析，驗證了優化包層設計的可行性。

屏蔽包層是未來聚變堆不可或缺的部件，結構設計的合理性和安全性對于聚變堆的安全運行和環境保護具有重要意義。鑒于目前對CFETR聚變堆屏蔽包層的設計及熱工研究較少，本文根據CFETR的屏蔽包層設計要求，開展了屏蔽包層水冷系統設計工作，提出一種溫度分布合理、結構較為簡單、進出口壓降較小、流速適當的屏蔽包層結構設計。為了達到CFETR的屏蔽包層設計要求，根據屏蔽包層內熱源的分布規律，設計了屏蔽包層冷卻系統。利用流體計算軟件FLUENT對屏蔽包層冷卻系統的壓力場、流速場和包層模塊的溫度場進行模擬分析，驗證了所設計屏蔽包層水冷系統方案的合理性。本文的研究對未來聚變堆屏蔽包層的設計工作具有一定的指導作用。

1? ? 結構設計與建模

屏蔽包層附著在真空室內壁上，真空室內壁是一個三維弧面且表面積很大，根據所處位置的不同，將屏蔽包層分為增殖區域和偏濾器區域兩個部分。屏蔽包層模塊通過柔性連接方式與真空室結合在一起。屏蔽包層模塊在部分事件（如等離子體破裂或垂直位移）發生時可能會受到復雜的電磁荷載的影響，因此在包層模塊兩側設計了鍵槽以承受電磁荷載。文獻[3]的研究結果顯示：位于高場側包層赤道面處的15號屏蔽包層模塊，中子計數值最高。因此，本文針對15號屏蔽包層模塊內的冷卻系統管道進行創新性設計，并采用有限元ANSYS FLUENT對冷卻系統內的冷卻劑流速場、壓力場和包層模塊溫度進行模擬計算與分析。CFETR等離子體與屏蔽包層剖面分布如圖1所示。

參考ITER的設計標準，可以確定本次設計的要求。屏蔽包層結構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? ? 屏蔽包層冷卻系統設計

模塊外部尺寸參考文獻[3]中模塊的外部尺寸，如表1所示。

CFETR正處于工程設計階段，故模塊內的熱源分布使用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一點到第一壁的徑向距離，考慮到CFETR增殖包層的影響，x應為屏蔽包層模塊內一點到模塊面向等離子體一側面的距離（m）。

由公式（1）可知，屏蔽包層前端的發熱功率更高，據此確定了模塊的冷卻系統設計方案。如圖2所示，冷卻系統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對稱的矩形管道，矩形環向寬度為20 mm，徑向寬度為72.5 mm，矩形中心距極向對稱面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增加了冷卻系統管道，管道直徑均為30 mm，每側有四列管道，延長到徑向距面向等離子體面為460 mm處;在新增冷卻系統管道末端增加了環向半圓形冷卻系統管道，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生流動;同時，將由于柔性連接槽存在而不能采用上述方法的四個冷卻劑管道改為U形管?？紤]到新增極向矩形管道與出口距離較小，影響了模擬計算的準確性，因此將進出口管道延長100 mm，出口外壁直徑135 mm。最終設計的屏蔽包層模塊1/4三維結構如圖3所示。

1.2? ? 模型建立

基于以上幾何模型，對流體和結構區域進行網格劃分，如圖4和圖5所示。整體網格劃分網格Skewness評價的平均值為0.22，網格質量良好。網格總數為10 226 040，流體域網格總數為4 387 832。其中邊界層設置為5層，膨脹比設置為1.2。對網格進行敏感性分析得到，其結果差異在1%～3%，符合網格敏感性分析要求。

1.3? ? 負載與邊界條件

屏蔽包層穩定運行時，冷卻劑單位時間帶出熱量的功率等于屏蔽包層模塊的發熱功率。忽略冷卻系統管道對屏蔽包層模塊慢化能力的影響，采用公式（2）對15號屏蔽包層模塊熱源進行積分，得到冷卻劑帶出熱量的功率P：

P=1.1■NLdx+0.940 3■NLdx? ? ? ? ? ?（2）

經計算可知，15號屏蔽模塊上熱負載約為0.96 MW?？紤]到冷卻系統管道的影響，模塊實際熱負載小于該值。

參考ITER設計要求，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，則冷卻劑的質量流量為：

qm=■≈15 kg/s? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

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

綜上所述，屏蔽包層增殖區域冷卻系統的邊界條件為：冷卻劑入口質量流量為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。湍流模型采用標準k-ε模型。根據設計方案，所有結構材料均采用316L不銹鋼，材料性能參數由相關文件提供[8]。熱工水力學分析采用商用計算流體力學（CFD）軟件ANSYS CFX來完成。

2? ? 結果與討論

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，流速分布符合設計目標中冷卻劑流速小于等于6.5 m/s的要求。

2.2? ? 冷卻劑壓力

冷卻系統管道內的壓力分布云圖如圖7所示。由圖7可知，管道內壓力最大約為4.01 MPa，位于入口管道的末端，分析認為由于冷卻劑的流動方向、管道形狀等在該處發生了較大變化，該處壓力較大;入口壓力約為4.01 MPa，進出口壓降約為0.01 MPa，符合設計目標中壓降小于0.5 MPa的要求。冷卻劑進出口壓差較小，分析認為這是由于新增管道與原有冷卻劑管道相當于并聯，降低了管道內的冷卻劑流速，從而減小了冷卻系統管道內的流動損失。同時可以發現，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因素導致該處壓降變小。

2.3? ? 溫度分布

屏蔽包層模塊及冷卻系統管道溫度分布如圖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 ℃;在冷卻系統管道內，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。所有模擬結果均滿足設計要求。

3? ? 結語

本研究首先根據屏蔽包層內的熱源分布，完成屏蔽包層內冷卻系統的設計方案，之后采用有限元ANSYS FLUENT對屏蔽包層的冷卻劑流速場、壓力場和包層模塊溫度進行模擬計算與分析。冷卻劑最大流速、最高溫度、最大壓強分別為4.39 m/s、201 ℃和4.01 MPa，進出口壓降約為0.01 MPa，進出口溫度差值約為11.9 ℃，屏蔽包層模塊最高溫度為373.4 ℃，所有熱工參數均達到了設計要求。鑒于模塊內固體域有較大的溫度裕度，管道設計有進一步優化改進以降低管道復雜度及其制造難度的空間。

[參考文獻]

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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，主要從事反應堆結構材料服役性能分析與熱工模擬方面的研究工作。