聚变堆偏滤器拓扑优化设计与稳态热分析

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.065

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (5): 601-607 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.065

机械优化设计

聚变堆偏滤器拓扑优化设计与稳态热分析

张小强¹(

),鲁碧为^1,²,刘家琴^3,⁴,吴玉程^1,^4,⁵(

)

^1.合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥 230009
^2.合肥中科重明科技有限公司，安徽合肥 230000
^3.合肥工业大学工业与装备技术研究院，安徽合肥 230009
^4.合肥工业大学有色金属与加工技术国家地方联合工程研究中心，安徽合肥 230009
^5.合肥工业大学先进能源与环境材料国际科技合作基地，安徽合肥 230009

Topology optimization design and steady-state thermal analysis of fusion reactor divertor

Xiaoqiang ZHANG¹(

),Biwei LU^1,²,Jiaqin LIU^3,⁴,Yucheng WU^1,^4,⁵(

)

^1.School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
^2.Hefei Zhongke Chongming Technology Co. , Ltd. , Hefei 230000, China
^3.Institute of Industry and Equipment Technology, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
^4.National and Local Joint Engineering Research Center for Nonferrous Metal and Processing Technology, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
^5.Advanced Energy and Environmental Materials International Science and Technology Cooperation Base, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China

全文: PDF(2755 KB) HTML

摘要：

为了提高聚变堆偏滤器的冷却能力，以满足其高温服役性能需求，基于一体化增材制造技术，以换热量最大为设计目标，采用变密度法对偏滤器中的W/Cu模块进行拓扑优化设计和模型重构，并采用大型商用仿真软件对拓扑优化后的W/Cu模块进行有限元数值模拟及温度场、应力场计算。结果表明，在10 MW/m²稳态热流密度条件下，拓扑优化后W/Cu模块的最高温度降低了108.5 ℃，仅为512.3 ℃；W/Cu模块界面处的最大热应力下降了264.2 MPa，仅为486.5 MPa，说明应力分布得到明显改善；W/Cu模块的总变形和弹性应变均大幅减小。该拓扑优化结构的应用可大大提升聚变堆偏滤器实现低成本、高效率、高可靠性的一体化增材制造的可行性。

关键词： 聚变堆; 偏滤器; 增材制造; W/Cu模块; 拓扑优化; 稳态热分析

Abstract:

In order to improve the cooling capacity of the divertor in fusion reactor and meet the requirements of its high temperature service performance, based on the integrated additive manufacturing technology, the topology optimization design and model reconstruction for the W/Cu module in divertor were carried out by using variable density method with the design goal of maximizing heat transfer. Meanwhile, the finite element numerical simulation and the calculation of temperature field and stress field for the W/Cu module after topology optimization were carried out by using large commercial simulation software. The results showed that under the condition of 10 MW/m² steady-state heat flux density, the maximum temperature of the W/Cu module after topology optimization was reduced by nearly 108.5 ℃, to only 512.3 ℃; the maximum interface stress of the W/Cu module was reduced by nearly 264.2 MPa, to only 486.5 MPa, which indicated that the stress distribution was significantly improved; the total deformation and elastic strain of the W/Cu module were greatly reduced. The application of the topology optimization structure can greatly improve the feasibility of integrated additive manufacturing of divertors with low cost, high efficiency and high reliability.

Key words: fusion reactor divertor additive manufacturing W/Cu module topology optimization steady-state thermal analysis

收稿日期: 2023-03-01 出版日期: 2023-11-03

CLC:

TL 62+6

基金资助: 国家重大研发计划磁约束核聚变重大专项(2022YFE03140001);国家自然科学基金国际（地区）合作研究与交流项目(52020105014);国家自然科学基金面上项目(51474083);国家“清洁能源新材料与技术”高校学科创新引智基地计划(B18018)

通讯作者: 吴玉程 E-mail: 2021110271@mail.hfut.edu.cn;ycwu@hfut.edu.cn

作者简介: 张小强（1997—），男，安徽宿州人，硕士生，从事聚变堆偏滤器材料研究，E-mail: 2021110271@mail.hfut.edu.cn

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张小强,鲁碧为,刘家琴,吴玉程. 聚变堆偏滤器拓扑优化设计与稳态热分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(5): 601-607.

Xiaoqiang ZHANG,Biwei LU,Jiaqin LIU,Yucheng WU. Topology optimization design and steady-state thermal analysis of fusion reactor divertor[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(5): 601-607.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.065 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I5/601

图1 平板型W/Cu模块

图2 W/Cu模块流道结构设计模型

图3 W/Cu模块流道目标函数值及体积分数的优化迭代曲线

图4 W/Cu模块流道的拓扑优化过程

图5 W/Cu模块流道拓扑优化结果光滑处理

图6 W/Cu模块流道拓扑优化模型几何重构

图7 拓扑优化前后的W/Cu模块三维物理模型

表1 W、Cu材料的基本物性参数

图8 W/Cu模块的温度分布云图及对流换热系数

图9 10 MW/m2稳态热流密度下W/Cu模块的温度分布云图

表2 10 MW/m2 稳态热流密度下W/Cu模块的结构分析结果

图10 10 MW/m2稳态热流密度下W/Cu模块的热应力分布云图

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