中國氦冷固態(tài)實驗包層模塊整體框架結構強度分析

陶海燕， 吳苑玉， 王澤明， 陳路

（1.華龍國際核電技術有限公司，北京 100089；2.中國核動力研究設計院第四研究所，成都 610213）

0 引言

實驗包層模塊（Test Blanket Module，TBM）是ITER的一個關鍵核心設備，主要用于對未來商用示范堆（DEMO）產氚和能量獲取技術進行實驗，同時對設計用到的工具、程序、數(shù)據(jù)等進行驗證和一定程度上對聚變堆材料進行綜合測試。中國開發(fā)的氦冷固態(tài)實驗包層模塊（HCSB TBM）以低活化鐵素體鋼為結構材料、Li4SiO4陶瓷小球為氚增殖劑、鈹小球為中子倍增劑、氦氣為冷卻劑和提氚氣體[1]。該方案不僅避免了液態(tài)金屬冷卻劑的磁流體效應（MDH）及腐蝕問題，又避免了水的相變及沸騰傳熱問題，且結構簡單、穩(wěn)定、易于實現(xiàn)，因而是最有可能應用于未來的DEMO聚變堆[1]。

針對HCSB TBM，文獻中從結構設計[2]、熱工設計[3-4]、中子學計算[5-6]、電磁安全[7]等方面進行了較充分的研究，進一步論證了中國設計的TBM的合理性。在設計中，氦冷TBM有著復雜的冷卻系統(tǒng)，這是為了帶走其第一壁聚集的核聚變熱量及氚增殖單元上的熱量[2]。設計的冷卻系統(tǒng)是由多塊后板分割成的若干配氣腔體及各零部件內部流道所組成[8]。腔體之間又有復雜的小孔流道相貫通。腔體、流道內充斥著用來冷卻的高溫（300 ℃）高壓（8 MPa）氦氣[3]。各腔體之間由真空及高溫、高壓環(huán)境交錯布置，內部結構的壓力載荷復雜多變。因而有必要對高溫、高壓環(huán)境下TBM的整體結構強度進行分析。

本文采用有限元計算軟件ABAQUS，從結構強度方面對中國設計的TBM進行研究，以驗證其整體框架結構能否經(jīng)受高溫、高壓的考驗，并為后續(xù)優(yōu)化提供指導。

1 模型

1.1 模型簡化

因TBM有著復雜的腔體和流道結構，為提高有限元求解效率，首先根據(jù)TBM的自身結構特點對其進行合理的簡化。TBM的外圍結構是由第一壁、上下蓋板和后板系統(tǒng)構成的整個包層盒。包層盒內部經(jīng)5個水平板和1個豎直板分隔成2×6個子空間[6]，每一空間放置一個氚增殖子模塊，各子模塊相對獨立。氚增殖區(qū)的這種模塊化設計減小了對外界泄漏的可能性，并增加了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。子模塊的這種獨立性也為結構分析的簡化提供了方便。

因TBM內部氚增殖區(qū)采用上述2×6的模塊化設計，為簡化分析、減少計算量，可在縱向方向取TBM模塊的1/3進行分析，即只包含2×2個子模塊，而其它尺寸則保持不變。因 而 該1/3 的TBM 模塊可反映全尺寸TBM模塊的受力特點。如圖1和圖2所示，1/3的TBM主要是由4個子模塊、外框、后板系統(tǒng)、第一壁、格架等組成。

圖1 1/3 的TBM 示意圖

圖2 1/3 的TBM 各部件裝配示意圖

但即使采用1/3的TBM模塊，整個結構仍過于復雜。第一壁內部共有87根寬為14 mm、深為7 mm的冷卻劑通道[4]；每個子模塊有25根呈交錯蛇形排列半徑為3 mm的冷卻劑圓形管道[9]。第一壁屬TBM外圍框架結構的一部分，在對TBM整體框架結構強度進行分析時，第一壁不可省略；其間的微細管道結構也不可簡化掉，因為這些管道會引起應力集中。但子模塊卻可以簡化掉，這是由于子模塊的相對獨立性，子模塊是通過簡單的環(huán)焊縫與后板系統(tǒng)相連接。因而在分析TBM整體框架結構的強度時，可不對4個子模塊進行建模，而是利用力學等效原理將4個子模塊簡化為4個等效質量單元：首先在造型軟件中計算出子模塊的質心位置和質量，然后在TBM對應的位置建立4個與子模塊質量相等的質量單元，通過MPC單元約束到后板上，圖3中的白線就是線性約束單元MPC。采用這種方法可以使子模塊對TBM后板系統(tǒng)的影響比較均勻。

圖3 子模塊結構質量等效分布圖

1.2 有限元網(wǎng)格劃分

本文選用ANSA作為有限元分析的前處理軟件，它有著強大而高效的幾何清理和網(wǎng)格劃分功能，并能輸出多種數(shù)據(jù)格式。在三維結構的有限元計算中，六面體網(wǎng)格不僅精度高，而且網(wǎng)格數(shù)目少。因此本文采用ANSA前處理軟件對1/3的TBM進行網(wǎng)格劃分，盡量生成結構化六面體網(wǎng)格。生成的有限元模型如圖4所示，其中六面體網(wǎng)格有377 456個，五面體網(wǎng)格有4512個。六面體網(wǎng)格占整個模型的絕大多數(shù)，有效地提高了計算的準確性和效率。

圖4 1/3 的TBM 結構化網(wǎng)格局部圖

1.3 材料參數(shù)

1/3的TBM模塊采用CLF-1鋼，該材料具體參數(shù)由西南物理研究設計院提供[10]。由于本文主要研究箱體在300 ℃條件的應力、應變，所以選取300 ℃時材料參數(shù)為本次分析的材料數(shù)據(jù)，其中密度為7.83 g/cm3，彈性模量為209 GPa，泊松比為0.34，許用應力為170 MPa。為計算結構在300 ℃下的熱應力，選取相應的熱力學參數(shù)為：熱擴散系數(shù)為6.77×10-6m2/s，比熱容為583 J/（kg·℃），熱導率為30.8 W/（m·℃），線膨脹系數(shù)為12.1×10-6/℃。工件的初始溫度取為室溫，即20 ℃。

1.4 邊界條件

在實際工作中，1/3的TBM模塊具有復雜的邊界條件和工況，而只有施加合理的邊界條件才能正確地反映實際工況。該模型主要涉及如下幾類邊界條件:1）載荷類邊界條件。主要是8 MPa氦氣施加在結構上的壓力。通常施加該類邊界條件的主要問題是如何選取模型內部大量的小孔流道壁面，特別是對于彎曲不可見的內部流道。本文采用的前處理軟件ANSA在選取面時具有較大的優(yōu)勢，它可通過選擇面的角度范圍實現(xiàn)對彎曲流道面的選取。同時，由于模型尺寸較大，本文也考慮了重力的作用。2）網(wǎng)格裝配不匹配邊界條件。由于模型復雜，需分塊進行網(wǎng)格劃分。因此，在裝配時，不同塊與塊間的人為交界面（裝配面）上，便有2套獨立劃分的網(wǎng)格。而這2套網(wǎng)格節(jié)點往往不對應，無法通過常規(guī)的重復節(jié)點消除來實現(xiàn)裝配。于是本文在塊網(wǎng)格的裝配面上施加Tie約束方程，從而實現(xiàn)不匹配面的網(wǎng)格裝配。3）位移約束邊界條件。由于模型在300 ℃下有著較大的熱膨脹量，不合適的位移約束將帶來不可思議的巨大應力。為不在結構伸展方向帶來不合實際的過分約束，本文在模型邊界處組裝一個與模型連接的彈性體。該彈性體的彈性模量只有CLF-1的1/20，而其他物性參數(shù)則與CLF-1一致。位移約束邊界施加在該彈性體上，從而通過該彈性體來保證對整個1/3的TBM模型的外部約束。另外，本文盡量使用對稱邊界條件，在實現(xiàn)剛體位移約束的同時不帶來過多的不合理應力。施加好的邊界條件如圖5所示。4）TBM子模塊等效質量約束邊界條件。本文雖利用力學等效原理將4個子模塊簡化為4個等效質量單元，但在1/3 的TBM整體分析的時候又必須考慮子模塊對其余部分的影響。因此，如圖3所示，本文采用分布耦合的方式，通過MPC單元在子模塊所在位置處施加相應約束，使得子模塊結構質量在整箱結構的內壁上均勻分布。

圖5 1/3 的TBM 模型邊界條件

2 結果分析

2.1 變形分析

通過ABAQUS有限元計算，1/3的TBM在載荷條件下發(fā)生一定的變形，最大變形量為2.907 mm，發(fā)生在箱體末端，如圖6所示。由此可知，在8 MPa內壓和300 ℃的高溫下，1/3的TBM整體框架模型變形較小，滿足TBM的±5 mm的誤差要求。

圖6 1/3的TBM整體變形圖

如圖6所示，整個TBM變形近似呈軸對稱分布，雖然存在諸多氦氣流道結構，但內部氣壓對結構的變形影響很小，由此可推測1/3的TBM整體框架模型的變形主要是由熱效應引起的。

2.2 應力分析

1/3的TBM格架、第一壁、上下蓋板的最大應力為81.187 MPa，小于材料在300 ℃/8 MPa下170 MPa的許用應力。箱體后半部分主要結構的應力分布如圖7所示，可看出應力主要沿氦氣通道分布。由此可知，1/3的TBM后半部分模型的應力集中主要是由于結構內部氦氣通道尺寸較小、結構復雜、變形不協(xié)調引起的，應力大小主要由8 MPa的氦氣壓力引起的。

圖7 1/3的TBM后半部分應力分布圖

第一壁應力分布如圖8所示，計算顯示其最大應力為61.437 MPa，也小于材料的許用應力。但第一壁結構在制造過程中大量使用了焊接工藝，存在較大的焊接變形和應力集中，而這些應力集中對最終部件的影響并沒有在該分析中體現(xiàn)出來。所以在后續(xù)的研究中仍需進一步加以驗證。

圖8 第一壁應力分布圖

1/3的TBM前半部分最大應力為117.785 MPa，滿足結構的強度要求，應力分布如圖9所示。該部分最大應力發(fā)生在加強筋上而非外框上。雖然外框結構比較復雜，且伴有復雜而微細的流道，但應力基本都在90 MPa以下。該處加強筋上的應力最大點也是1/3的TBM整體框架結構上應力最大點。雖然該應力值117.785 MPa小于材料在300 ℃/8 MPa下的170 MPa許用應力，但由于在本文的計算中沒考慮氦氣的壓力波動、溫度波動，也沒考慮加工工藝引起的殘余應力和應變，所以加強筋的強度仍有待加強，其結構設計也有待進一步優(yōu)化。

圖9 1/3的TBM前半部分應力分布圖

3 結論

本文通過有限元計算對高溫高壓環(huán)境下TBM的整體框架結構強度進行了分析。為提高分析效率，通過合理簡化，得到1/3的TBM整體框架結構模型，并以等效質量的形式考慮氚增殖子模塊對整個模型的影響。對模型施加300 ℃高溫及8 MPa的氦氣壓力，分析表明：1）1/3的TBM整體框架模型的最大位移為2.907 mm，發(fā)生在第一壁外端，小于1/3的TBM模塊±5 mm的尺寸誤差。2）整個箱體的最大Mises等效應力為117.8 MPa，小于材料在300 ℃/8 MPa下170 MPa的許用應力。總體來看，1/3的TBM模塊整體框架結構設計基本滿足高溫、高壓（300 ℃，8 MPa）載荷條件下的強度要求。3）從應力、應變云圖上看，1/3的TBM模塊的應力集中主要是由于尺寸較小、結構復雜、變形不協(xié)調引起的，應力大小主要是由8 MPa的氦氣壓力所引起的。而1/3的TBM模塊變形的原因主要是材料因受到300 ℃的溫度載荷而引起熱膨脹。4）1/3的TBM整體框架模型的應力最大點發(fā)生在加強筋上，此處應力偏大，其結構仍有待進一步的優(yōu)化設計。