鎢銅偏濾器靶板疲勞損傷與壽命研究.pdf

1、隨著聚變科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，各大托卡馬克裝置中的等離子體參數(shù)正一步一步提高，但是在通往商用聚變堆的道路上仍然有很多挑戰(zhàn)。對(duì)于下一代托卡馬克裝置和未來(lái)聚變實(shí)驗(yàn)堆而言，長(zhǎng)脈沖高約束運(yùn)行模式被認(rèn)為是獲得高聚變能量增益的首選模式。在該模式運(yùn)行下，由于磁流體不穩(wěn)定性等，會(huì)周期性的出現(xiàn)大量粒子和能量進(jìn)入刮削層，然后這些粒子和能量沿著磁力線輸運(yùn)到偏濾器區(qū)域，轟擊到靶板上，形成極高的瞬態(tài)熱負(fù)荷，對(duì)偏濾器造成損傷。偏濾器作為托卡馬克裝置中最重要的內(nèi)部部件之

2、一，在放電過(guò)程中不僅起著控制雜質(zhì)的作用，而且是聚變反應(yīng)中重要的能量和粒子排出通道。為了提高偏濾器的性能使得其滿足高約束運(yùn)行模式中排熱或排出粒子的需求以及預(yù)研ITER偏濾器的性能和服役行為，EAST于2014年將上偏濾器升級(jí)成為類ITER結(jié)構(gòu)的鎢銅偏濾器。在高參數(shù)物理實(shí)驗(yàn)之前，開(kāi)展偏濾器在高參數(shù)物理實(shí)驗(yàn)中的損傷與壽命研究是十分必要的內(nèi)容，其結(jié)果可以為偏濾器的設(shè)計(jì)和制定偏濾器在聚變裝置和反應(yīng)堆服役中的維護(hù)方案提供指導(dǎo)意見(jiàn)，同時(shí)可以更好的從工

3、程角度協(xié)助物理實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行和提高裝置的運(yùn)行效率。
　　本論文基于EAST和世界上各大聚變裝置在高約束模式實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)的沉積在偏濾器靶板上的熱負(fù)荷特征，詳細(xì)研究了EAST鎢銅偏濾器靶板在高約束模式運(yùn)行中的溫度和結(jié)構(gòu)響應(yīng)行為，并構(gòu)建了可以由診斷得到的偏濾器靶板上的熱負(fù)荷特征參數(shù)直接對(duì)應(yīng)到靶板疲勞損傷的模型，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)服役中偏濾器靶板的疲勞損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估和監(jiān)測(cè)，判斷其是否會(huì)發(fā)生疲勞失效。
　　文中首先分析了偏濾器靶板在高約束模中

4、由邊界局域模(Edge localizedmodes)誘發(fā)的瞬態(tài)熱負(fù)荷作用時(shí)的響應(yīng)行為。為了更加直觀的描述靶板在ELMs瞬態(tài)熱負(fù)荷作用下的響應(yīng)行為，本文建立了包含溫度演化歷程、熱穿透深度和疲勞裂紋萌生壽命三個(gè)指標(biāo)的體系來(lái)描述ELMs作用期間的靶板的溫度宏觀累積效應(yīng)、表面層微觀溫度響應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并分析了三個(gè)指標(biāo)的主要影響因素以及它們與瞬態(tài)熱負(fù)荷特征參數(shù)之間的關(guān)系。
　　然后進(jìn)一步開(kāi)展了鎢銅偏濾器靶板在長(zhǎng)脈沖高約束運(yùn)行模式中的響

5、應(yīng)行為研究。文中定義了完整放電過(guò)程中打擊點(diǎn)處的熱負(fù)荷隨時(shí)間的演化歷程，經(jīng)過(guò)分析和討論從中提取出了影響偏濾器靶板響應(yīng)行為的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷以及瞬態(tài)熱負(fù)荷的峰值、上升時(shí)間、頻率四個(gè)特征參數(shù);接著根據(jù)偏濾器靶板的Monoblock結(jié)構(gòu)在熱負(fù)荷作用下的響應(yīng)特性以及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把Monoblock結(jié)構(gòu)劃分為四個(gè)關(guān)鍵部位，分別構(gòu)建了它們?cè)诓煌卣鲄?shù)的熱負(fù)荷下對(duì)應(yīng)的溫度與結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型。
　　最后，在上述分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)鎢銅偏濾器靶板的面向等離