【摘 要】
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包层在聚变堆中承担氚增殖和热量提取的作用,对聚变堆正常运行有至关重要的意义。水冷陶瓷包层（WCCB）是中国聚变堆工程（CFETR）提出的三大包层候选方案之一,其内部采用钛酸锂（Li2TiO3）和铍小球（Bel2Ti）颗粒随机堆积的二元球床作为氚增殖剂,纯Be一元球床作为中子倍增剂,两者分区布置,使用氦气作为吹扫气体提取包层内产出的氚。吹扫气体在球床内的流动和换热特性会直接影响到氚的提取效率,进而影
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包层在聚变堆中承担氚增殖和热量提取的作用,对聚变堆正常运行有至关重要的意义。水冷陶瓷包层（WCCB）是中国聚变堆工程（CFETR）提出的三大包层候选方案之一,其内部采用钛酸锂（Li2TiO3）和铍小球（Bel2Ti）颗粒随机堆积的二元球床作为氚增殖剂,纯Be一元球床作为中子倍增剂,两者分区布置,使用氦气作为吹扫气体提取包层内产出的氚。吹扫气体在球床内的流动和换热特性会直接影响到氚的提取效率,进而影响到包层的设计参数,因此有必要针对水冷陶瓷包层内吹扫气体的流动参数及换热特征进行深入研究,以此来确定是否需要增设预热装置对吹扫气体进行预热,并有效提高球床内的产氚效率。基于以上目的,论文开展了以下研究:首先,基于DEM-CFD耦合法,对一元球床内吹扫气体流动特性进行数值分析,对DEM-CFD法的有效性进行验证,并对吹扫气体流速、压降和吹扫气体与颗粒表面的换热量进行分析,研究了颗粒表面摩擦系数对球床堆积结果和吹扫气体流动特性的影响,研究结果表明:随着入口处吹扫气体流速增大,一元球床内吹扫气体的流速和压降随之增大,最大流速约为入口速度的12倍,压降为1.33KPa/m,且吹扫气体在球床内的区域分布未发生明显改变;颗粒表面摩擦系数增大会导致一元球床的填充率减小,吹扫气体的流动特性则无变化;颗粒表面摩擦高度增大时,吹扫气体的流动特性数值减小;吹扫气体与一元球床的换热量较小,颗粒表面温度仅下降0.2℃,对球床工作环境温度的影响可忽略不计。随后,对二元球床同样采用DEM-CFD法进行建模,球床内大小颗粒直径比为6:1,对吹扫气体的流动特性及颗粒表面摩擦对吹扫气体流动特性的影响进行了研究,得到球床内吹扫气体的流动特性及换热量的详细参数:二元球床内吹扫气体的最大流速约为入口速度的23倍,压降为11KPa/m,约为一元球床的9倍;二元球床内颗粒表面温度下降1.5℃。本文研究了吹扫气体在球床内的流动及换热特性,并通过数值模拟得到具体参数值,验证了吹扫气体与球床之间的换热现象对球床工作环境的影响,为包层模块的结构设计和氚提取效率的分析提供理论参考。图[62]表[11]参[65]
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