ITER偏滤器W_Cu单体模块热-结构模拟与分析.pdf

第33卷 第4期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 VOl_33．NO．4 2013年 12月 NuclearFusionandPlasmaPhysics Dec．2013 文章编号：0254—6086(2013)04—0354—05 ITER偏滤器W ／Cu单体模块热一结构模拟与分析 薛 奎 1,2，陈俊凌2，朱大焕2 (1中国科学技术大学核科学技术学院，合肥 230026；2 中国科学院等离子体物理研究所，合肥 2300311 摘 要：采用有限元分析软件ANSYS模拟分析了W／Cu单体模块在 ITER稳态热流和瞬态热流叠加下的温 度分布和应力分布。结果表明，在稳态热流下，结构安全可靠；但在瞬态热流加载下，钨材料表面发生塑性应变， 发生塑性应变的临界热流密度为320MWm· (持续 0．5ms)。模拟结果对ITER偏滤器的设计和升级改造具有一定的 借鉴意义。 关键词：W／Cu单体模块；ANSYS有限元分析；热流；热。结构分析 中图分类号：TL626 文献标志码：A 1 引言 中。模块尺寸为28mm~28mm~12mm。水管中心距 W／Cu单体模块是 ITER偏滤器靶板备选结构。 底 11．5mm，内径为 13mm，无氧铜均匀包围在水管 钨作为ITER偏滤器面对等离子体材料(PFM)，不仅 周围，厚度为 lmm，PFM 为金属钨。模块具有对 要承受5-20MW-m 稳态热负荷，也要承受等离子 称结构，故采用3D1／4模块建立有限元模型，如图 体大破裂和边缘局域模等瞬态 MHD事件造成的 2所示。水冷条件为水温 100。C、流速 10m-S～、水 0．1～1MJm· (持续 0．5ms)的瞬态热通量的冲击。在 压 4MPa6【】。稳态时表面加载 2~20MWm· 热流， ITER运行期间，大约有超过 10。次ELMs爆发事件 瞬态时用200～800MWm· 热流作用0．5ms来模拟， 发生，也就是相当于 1Hz的高热流脉冲作用在靶板 假定无应力状态时的温度 100。C，施加结构约束 7】 表面I【。然而，很多工程设计中仅考虑稳态热流 9)，面施加z方向约束，yoz面施加 方向约束，原 沉积，而忽略了在瞬态热流的影响[3’钔。因此，考 点施加xyz方向约束，假定无应力状态时温度为 100 虑稳态热流与瞬态热流叠加下的温升和应力分布 。c)来求解应力场，模拟方法采用序贯耦合法。 变化，更符合 ITER靶板的实际工况。 本文采用有限元分析软件 ANSYS12．0模拟了 W／Cu单体模块在 ITER稳态热流和瞬态热流叠加 下温度场和应力场，模拟分析了模块钨材料表面失 效行为。 2 模型和参数 W／Cu单体模块实体模型 】女口图1所示，模块由 三部分构成一 钨、铬锆铜及无氧铜连接层。W／Cu 单体模块 3种材料随温度变化的性能参数列于表 1 图1 W／Cu单体模块实体模型 收稿 日期：2013—02—04；修订 日期 ：2013—05—10 基金项目：国家自然科学基金资助项 目 作者简介：薛~(1984一)，男，安徽蚌埠人，硕士研究生，从事核聚变工程热工方向研究。 356 核聚变与等离子体物理 第33卷 与塑性应变相比基本可忽略，塑性应变占据绝大比 式中，△ 为表面温升；JD为热流密度；f为热流作 例。随着热流密度的增加，最大等效应力和最大等 用时间； 为材料热导率； 为密度；c为热容。 效塑性应变增加。当表面热流大于 8MWm· 时， 由表1可查各个参数对应数值，尸取500MWm·一，最 最大应力增大速度加快，这其中原因之一可能是由 后计算可得理论温升大约为630。C。由式(1)可以看 于随着温度的升高导致材料热膨胀系数升高