包层调研报告(4)

在TBM内部的子系统中和外面的循环系统中，液态金属的每一部分的压降也得到了估算。在增殖区的液态金属产生压降的原因之一是管壁表面的摩擦，它是由管壁表面的光滑度和流体的速度决定的。还有一个原因是当在一定温度下由于流体的加速而产生了体积的变形，从而产生了一定的压降。

图2.2.8 增殖区内的液态金属流动压降示意图

2.3 HCSB (U.S. Helium-Cooled Solid Breeder)

2.3.0 HCSB概述

研制单位：加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA) 氚增殖剂：锂的陶瓷球（LiSiO） 中子倍增剂：铍 冷却剂：氦

结构材料：F82H、铁素体刚

美国选用了氦冷固体增殖、铁素体刚和铍中子增殖剂所构成的包层概念做为ITER TMB的测试增殖包层。锂的陶瓷球作为增值材料是这种概念设计的基础。

图2.3.1 HCSB-TBM示意图

在子模块的设计中，增殖区域安置在铁素体钢U型的FW结构箱中，表面的FW厚度是28mm。其平均表面热流为0.3MW/㎡。HCSB-TBM的FW和FSW中子负载是0.78MW/㎡，HCSS的FW设计成可以传输0.307的总沉积热的结构。在模块中，有两种设计装置被安置在FW结构箱的后面。一种设计是铍和增值床被垂直地安置于等离子区域的方向上，另外一种布局格式是增值区域平行与等离子体区域。

图2.3.2 四分之一窗口的子模块

2.2.2 HCSB工程描述

HCSB-TBM的表面热负载是0.53MW/㎡，为了确保较高的热传输效率，冷却剂就要求有很高的传输速度。通过把五个冷却剂通道组合在一个结构中可以降低冷却剂的流通面积，从而增大冷却剂的流速。

图2.3.3 FW的截面示意图（上），五个冷却剂管道的局部示意图（下）

当采用低温运行设计的情况下，氦冷却剂首先流过增殖区域的通道，然后再进入第一壁，因为这种设计的主要目的就是使增殖区域保持在一个较低的温度下。当采用高温运行设计的情况下，情况就会反过来，冷却第一壁结构就成为了首要任务。因为过高的冷却剂流速会使出口端的冷却剂温度变低，所以当冷却剂流出增值区和流入FW之间时，大约有10%的冷却剂会通过旁路流出。剩下的冷却剂会流入四条通道，从而冷却上下两个面的盖板和两个增殖设备，

图2.3.4 低温时中子学计算模块（左），反应堆温度下的热力学计算模块（右）

氦冷却剂在分层的设备排布中主要是环向流，而在侧位的装置里则大部分是径向流。在侧位，增殖区的氦冷却剂被分成两条支流，一条流入较远的左边子单元再进入增殖区，另一条则是从右侧进入，两条通道都是径向地排布在前段，然后再转弯流回歧管。每条冷却剂在通过增值区域的冷管后会流入下一个管，直达它流入最后一个增值区域，最终在出口通道里汇流并通过出口集合管。在增殖区侧位装置上存在着两种温度梯度（径向和环向），在增值区的分层设备中主要是径向温度梯度。增殖球床上的这种二维温度梯度最终会影响到TBR。

图2.3.5 侧位装置的冷却剂集合管设计（左），分层装置的冷却剂集合管设计（右）

2.3.2 HCSB中子学分析

计算结果可由基准测试程序和校正过的数值代码或采用分析方法计算得出。（ITER test results can be used to benchmark/calibrate any numericalcodes or analytical methods）。为了提高复杂情况下代码的最大可信度，该设计的重要准则是高阶的偏微分方程可以满足几何尺寸的要求。

图2.3.6 HCSB的中子学计算模型

2.3.3 HCSB热工水力学分析

分析的对象是一个整体包层模块的子模块，其中包含了五条冷却剂通道。为了第一壁在热传输时计算准确性和瞬态分析下计算的方便，这个模型在第一壁表面采用了10个四边形的单元，沿着模型外侧的周长的横截面是一个常数。电脑计算总的单元是280,570个。

图2.3.7 HCSB-TBM第一壁的模型

分析结果：

1） 符合设计要求：固态氚增殖剂和铍球床的计算温度低于固态增殖球床典型的运

行温度限值850℃和铍球床的限值600℃。

2） 温度最大最小值的位置：最高温度是790.76℃，位于模型的固态增值球床（靠

近第一壁处）左半边（侧立结构）。最低温度为325.125℃，位于第一壁侧面结构和第一壁内侧结构上。 3） 两种温度梯度：层式结构的增殖球床的温度梯度主要在径向。而在侧立结构中，

径向和环向都有温度梯度。二维的温度梯度将影响固态增值球床的热力性能。

图2.3.8 HCSB-TBM增值区域的温度模拟

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