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美实验室新研究揭示聚变堆包层设计需精细考量局部温度梯度

2026-02-03 09:45     来源:ORNL     聚变堆包层设计
一项新研究指出,聚变堆包层设计不能仅仅依赖平均参数,局部温度梯度的精细考量至关重要。美国橡树岭国家实验室(ORNL)的Jin Whan Bae团队近期在《Nuclear Fusion》上发表成果,他们利用FREDA框架构建的高保真双向耦合模型,首次量化了温度反馈在ARC类托卡马克熔盐包层中对中子学特性的局部影响。

研究发现,尽管温度空间分布的不均匀性对全局氚增殖比(TBR)影响甚微(差异小于0.1%),但在温度梯度强烈的区域,局部TBR预测值可能出现高达4%的偏差,局部温差偏差可达30K。这30K的差异在极端工况下,可能直接关系到结构材料是否会超出热疲劳限值。研究还通过高保真模型观察到,包层外侧因几何曲率可能引发流体分离并形成非定常旋涡,影响散热效率。

该研究为聚变堆设计提供了重要启示:在概念设计阶段,可采用计算成本较低的均质化模型进行全局参数扫描;但当进入详细工程设计阶段,尤其是评估局部热应力、材料行为及氚提取系统时,必须采用能捕捉精细温度反馈的显式耦合模型,以规避潜在风险。目前,这种高保真模拟计算成本高昂,未来需在精度与效率间取得更好平衡。


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