一种激光惯性聚变包层及其设计方法技术

本发明专利技术公开一种激光惯性聚变包层及其设计方法，所述包层按照与聚变反应中心距离由近到远分为：钨盔甲、第一壁、氚增殖自冷区、背板；所述设计方法首先建立包层简化径向分区三维模型，再对模型进行中子输运计算得到包层氚增殖率及核热沉积空间分布；结合材料特性进行热工计算，得到包层内温度分布；综合包层氚增殖率和温度分布，采用优化算法确定包层各功能区的径向尺寸合理区间，之后进行精细建模，在区间内优化设计直至满足标准；该聚变包层及其设计方法能在保证精度的基础上，以球型径向分区模型代替传统包层工程设计中完整包层模型，避免了多物理场耦合计算中复杂模型的建立，优化了包层的设计流程，设计出适用于激光惯性约束聚变的包层。聚变的包层。聚变的包层。

【技术实现步骤摘要】
一种激光惯性聚变包层及其设计方法


[0001]本专利技术涉及激光聚变堆包层设计
，具体涉及一种激光惯性聚变包层及其设计方法。

技术介绍

[0002]激光聚变包层是激光惯性约束聚变堆的能量转换结构，同时也肩负着氚增殖、包容堆芯和中子屏蔽的功能。在聚变堆运行期间，堆芯处于高温等离子体态，同时发射靶丸碎片、高能中子、多种射线等产物，对包层整体带来极高的瞬时载荷，给包层结构设计带来艰巨挑战。
[0003]与发展更好的磁约束聚变包层不同，国内及国际的激光聚变包层设计还处于起步阶段；同时由于没有强磁场，可在氚增殖剂选用制造方便、产氚率和冷却性能更好的液态氚增殖剂，但是液态氚增殖剂对包层结构材料的腐蚀随温度上升不断加强，因此控制氚增殖剂及其与结构材料交界面的温度成为包层设计的关键。
[0004]传统磁约束聚变包层设计通常是建立包层的完整模型并进行分析，但是包层整体尺寸一般处于米级，并且包层内涉及流体的结构又极其细微，需要精细的建模；激光惯性约束聚变堆包层的设计一般参考磁约束聚变包层的设计流程，工作极为繁琐艰巨。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术找那个激光聚变包层设计存在的问题，本专利技术的目的是设计了一种适用于激光惯性约束聚变的包层，并提出一种保证设计精度的基础上，避免传统包层工程设计中完整包层复杂模型的建立的设计方法，从而弥补现有激光聚变包层设计工作量巨大的不足。
[0006]本专利技术采取以下技术方案达到上述目的：
[0007]一种激光惯性聚变包层，所述激光惯性聚变包层整体上呈球型，被等分经线分割为若干份弧型子包层，每个弧型子包层被等分纬线分割为若干个包层模块，其中一个靠近两极的包层模块空置出作为包层外接设备入口；包层模块各功能区按照与聚变反应中心距离由近到远分为：钨盔甲1、第一壁2、氚增殖自冷区3、背板4，所述钨盔甲1和前端第一壁2由多层低活性铁素体和马素体钢扩散焊接而成，其中每一层钢板皆采用激光刻蚀微流道以保障结构强度，并提高包层冷却剂超临界二氧化碳的冷却效率；所述氚增殖自冷区3采用液态锂铅合金，采用同上述内置激光刻蚀微流道的多层焊接钢板将氚增殖自冷区3分为三个子区域，其中换热效率高的激光刻蚀微流道能充分利用包层冷却剂超临界二氧化碳的冷却能力，有力控制钢板与液态锂铅交界面的温度，降低液态锂铅对包层结构材料的腐蚀，提高包层的整体使用寿命；背板4作为包层最外层结构，直接接触液态锂铅合金的内侧部分采用同上述内置激光刻蚀微流道的多层焊接钢板构成，并内通超临界二氧化碳作为冷却剂带走热量，将背板
‑
液态锂铅合金交界面温度控制在强腐蚀温度阀值之下；背板外侧部分采用低活性铁素体和马素体钢完整构成，以提高包层模块的整体结构强度，同时作为包层外接设备
的支撑面。
[0008]优选的，呈球型的激光惯性聚变包层被等分经线分割为24份弧型子包层，每个弧型子包层被等分纬线分割为9个包层模块。
[0009]所述的激光惯性聚变包层的设计方法，包括如下步骤：
[0010]步骤1：建立球型包层三维模型
[0011]根据权利要求1中激光惯性聚变包层的结构及具体设计要求，确定球型包层内功能区径向分布及尺寸，并建立相应简化球型三维模型；
[0012]步骤2：球型包层中子输运计算
[0013]根据激光聚变堆芯设计参数、包层材料中子学特性、包层初步设计结构参数，采用蒙特卡罗方法及中子输运程序对步骤1建立的球型包层三维模型完成计算，获得激光惯性聚变包层内的核热沉积空间分布及包层总体氚增殖率，以确定氚增殖自冷区功能区径向初步尺寸；
[0014]步骤3：球型包层热工水力计算
[0015]依据流体及固体传热原理，采用冷却剂物性及对流换热系数数值计算方法得到流道尺寸、冷却剂流量和钢板厚度的激光刻蚀微流道设计初步参数；再根据激光惯性聚变包层的几何结构、包层材料热工水力特性，采用CFD程序建立激光惯性聚变包层的热工水力分析模型，以堆芯设计参数获得的包层第一壁表面热流密度分布和激光刻蚀微流道设计初步参数为基础，结合步骤2获得的激光惯性聚变包层内的核热沉积空间分布，获得激光惯性聚变包层内材料温度初步分布；
[0016]步骤4：球型包层多物理场耦合迭代计算
[0017]由于激光聚变堆芯设计参数不同和包层材料温度限制，导致其适用的包层结构不同，所以需要进行多次计算得到包层内功能区径向尺寸区间，即多次进行步骤2及步骤3，但是第一次进行步骤2采用的“包层初步设计结构参数”在后续实施过程中需更改为相应的包层设计结构参数，迭代计算后得到适应激光聚变堆芯设计参数和包层材料温度限制的包层内功能区径向尺寸区间，同时在多次计算过程中，采用不同的优化算法，更快地确定包层内功能区径向尺寸区间；
[0018]步骤5：精细三维包层优化设计
[0019]建立整体包层完整的三维模型
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蒙特卡罗方法的中子输运程序和CFD程序建立包层中子输运及热工水力精细化模型，其中有限体积法和蒙特卡罗方法分别用于离散温度场偏微分方程和中子输运场偏微分方程，两种方法对同一几何结构划分所得到的网格尺寸有差别，特别是蒙特卡罗方法是采用几何体的布尔运算得到网格栅元，灵活性不如有限体积法得到的网格栅元，所以需要采用体积加权平均的方式在网格间进行数据传递，进行中子输运和热工水力的直接耦合计算，并根据步骤4得到的包层内功能区径向尺寸区间，结合激光惯性聚变包层设计标准，确定包层优化设计结构参数。
[0020]和现有技术相比较，本专利技术具备如下优点：
[0021]1、本专利技术根据激光惯性约束聚变反应过程及特性设计出一种适用于激光聚变反应的包层，并采用激光刻蚀微流道充分应对激光惯性约束聚变给第一壁带来的高峰值、短周期的热流密度，以及控制液态锂铅与包层结构材料交界面的温度。
[0022]2、本专利技术基于中子学、传热学等多种学科交叉，综合激光聚变包层设计流程及实
际工程应用需求，得到激光聚变包层多物理场耦合设计技术。
[0023]3、本专利技术充分考虑激光惯性约束聚变过程特性及产物空间分布，采用三维球型包层模拟步骤作为传统包层设计的预设计，突破传统包层设计流程带来的激光聚变包层设计工作量艰巨繁琐的局限，通过径向功能区依次排布的整体包层简化模型计算，获得后续包层精细设计的合理区间。
[0024]4、本专利技术采用多物理场耦合研究激光聚变包层设计，为激光聚变包层概念设计提供一种可靠的计算方法。
[0025]总而言之，本专利技术设计了一种适用于激光惯性约束聚变的包层，并提出了相应的设计方法，能够基于蒙特卡罗方法、中子输运、热工水力等手段建立激光惯性聚变包层优化设计流程，除去了冗余繁杂的包层整体建模工作，同时可为激光惯性聚变包层的实际运行提供指导。
附图说明
[0026]图1为激光聚惯性变包层优化设计方法流程示意图；
[0027]图2为激光惯性聚变包层本体结构示意图；
[0028]图3为激光惯性聚变包层局部截面示意图。
具体实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光惯性聚变包层，其特征在于：所述激光惯性聚变包层整体上呈球型，被等分经线分割为若干份弧型子包层，每个弧型子包层被等分纬线分割为若干个包层模块，其中一个靠近两极的包层模块空置出作为包层外接设备入口；包层模块各功能区按照与聚变反应中心距离由近到远分为：钨盔甲(1)、第一壁(2)、氚增殖自冷区(3)、背板(4)，所述钨盔甲(1)和前端第一壁(2)由多层低活性铁素体和马素体钢扩散焊接而成，其中每一层钢板皆采用激光刻蚀微流道以保障结构强度，并提高包层冷却剂超临界二氧化碳的冷却效率；所述氚增殖自冷区(3)采用液态锂铅合金，采用同上述内置激光刻蚀微流道的多层焊接钢板将氚增殖自冷区(3)分为三个子区域，其中换热效率高的激光刻蚀微流道能充分利用包层冷却剂超临界二氧化碳的冷却能力，有力控制钢板与液态锂铅交界面的温度，降低液态锂铅对包层结构材料的腐蚀，提高包层的整体使用寿命；背板(4)作为包层最外层结构，直接接触液态锂铅合金的内侧部分采用同上述内置激光刻蚀微流道的多层焊接钢板构成，并内通超临界二氧化碳作为冷却剂带走热量，将背板
‑
液态锂铅合金交界面温度控制在强腐蚀温度阀值之下；背板外侧部分采用低活性铁素体和马素体钢完整构成，以提高包层模块的整体结构强度，同时作为包层外接设备的支撑面。2.根据权利要求1所述的一种激光惯性聚变包层，其特征在于：呈球型的激光惯性聚变包层被等分经线分割为24份弧型子包层，每个弧型子包层被等分纬线分割为9个包层模块。3.权利要求1所述的激光惯性聚变包层的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：建立球型包层三维模型根据权利要求1中激光惯性聚变包层的结构及具体设计要求，确定球型包层内功能区径向分布及尺寸，并建立相应简化球型三维模型；步骤2：球型包层中子输运计算根据激光聚变堆芯设计参数、包层材料中子学特性、包层初步设计结构参数，采用蒙特卡罗方法及中子输运程序对步...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈荣华，王官印，李昕泽，张冰倩，田文喜，苏光辉，秋穗正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：