[发明专利]一种激光惯性聚变包层及其设计方法

权利要求书

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；

步骤3：球型包层热工水力计算

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；

步骤4：球型包层多物理场耦合迭代计算

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；

步骤5：精细三维包层优化设计

建立整体包层完整的三维模型---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。