《Macromolecular Symposia》：Fracture Assessment of DEMO Divertor Components Under Thermo-Mechanical Loads
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核聚变是大规模可持续低影响能源生产的一条有前景的途径。然而，聚变堆内的极端运行条件——以高温、强中子辐照及严酷的机械与电磁载荷为特征——对最关键的部件的结构完整性提出了重大要求。本研究对承受严酷热机与电磁载荷的核反应堆DEMO偏滤器(Divertor)进行了断
核聚变是大规模可持续低影响能源生产的一条有前景的途径。然而，聚变堆内的极端运行条件——以高温、强中子辐照及严酷的机械与电磁载荷为特征——对最关键的部件的结构完整性提出了重大要求。本研究对承受严酷热机与电磁载荷的核反应堆DEMO偏滤器(Divertor)进行了断裂力学评估。研究人员建立了有限元模型以模拟真实热与机械条件下偏滤器的行为，通过整体模型分析识别关键区域，并采用子模型(submodeling)技术进行细致研究。研究人员在局部子模型中引入半椭圆表面裂纹，利用线弹性断裂力学(Linear Elastic Fracture Mechanics, LEFM)评估裂纹前缘的应力强度因子(Stress Intensity Factor, SIF)。研究人员开展裂纹扩展模拟以反映真实运行工况，并应用Paris定律估算裂纹扩展至临界尺寸所需的循环次数即疲劳寿命。研究人员还进行了多裂纹(multi-crack)扩展分析以考察相邻关键区域内两裂纹共存时的相互作用，同时引入弹塑性(elastoplastic)材料模型以分析偏离线弹性行为的情形。上述发现有助于提升未来聚变堆偏滤器部件的结构可靠性与寿命预测能力。
本文对发表于《Macromolecular Symposia》的论文《Fracture Assessment of DEMO Divertor Components Under Thermo-Mechanical Loads》进行解读总结。
研究背景与意义：
核聚变能开发要求部件能在极端工况下运行，尤其是DEMO（DEMOstration Power Plant，示范聚变电站）偏滤器(Divertor)，其负责排出等离子体的热负荷与反应副产物，承受极高的循环热负荷、冷却剂压力及电磁力。偏滤器部件在制造或运行中可能产生初始缺陷（裂纹），其在热-机械交变载荷下的裂纹萌生与扩展行为直接关系到装置的安全性与可用性。目前针对未辐照Eurofer97钢制偏滤器内垂直靶板在热-机械载荷联合作用下的三维裂纹扩展、多裂纹相互影响及弹塑性修正的系统性断裂力学评估尚不充分。因此，研究人员开展此项研究，旨在通过有限元(Finite Element, FE)全局—子模型(submodeling)技术及线弹性断裂力学(Linear Elastic Fracture Mechanics, LEFM)分析，量化热-机械载荷耦合对应力强度因子(Stress Intensity Factor, SIF, KI、KII、KIII通常用K表示)的影响，结合温度与应力比(stress ratio, R)相关的Paris定律预测疲劳寿命，并验证LEFM假设的适用性，为未来聚变堆偏滤器组件的设计优化与可靠性评估提供定量依据。
主要关键技术方法：
研究人员建立DEMO偏滤器整体有限元模型，Cassette Body两"鼻端"设为固定约束，Wishbone施加100 kN预紧位移；冷却回路压力分别取内/外垂直靶(Inner/Outer Vertical Target, IVT/OVT) 5 MPa及其他部件15.5 MPa。通过整体分析锁定IVT内部区域为最危险部位并切分子模型。子模型中预设半椭圆表面裂纹，采用M积分法计算SIF。单裂纹分析：初始裂纹长度7.5 mm，分6步每步扩展0.5 mm至10.5 mm，载荷步为"仅压力"和"压力＋循环热载荷"。多裂纹分析：相邻关键区植入两枚半椭圆裂纹(表面半宽3 mm，深1 mm)，分10步每步扩展0.5 mm至深6 mm。疲劳寿命由沿裂纹前缘逐点考虑局部温度T与应力比R的Paris定律计算。最后以Eurofer97的弹塑性本构曲线进行弹塑性分析校验LEFM有效性。材料为未辐照Eurofer97（备选AISI 316L），EU-DEMO运行假定为"开-关(on-off)"循环，冷却压力恒定、等离子体热载交变。
研究结果：
1 Introduction to the Work
研究人员介绍了采用全局有限元模型结合子模型技术分析偏滤器结构完整性，通过LEFM及裂纹扩展模拟评估缺陷在循环载荷下的演化，并应用考虑温度和应力比的Paris定律估算最危险子部件疲劳寿命，最后用弹塑性材料模型校核LEFM假设下的结果。
2 Crack Growth Analysis: "Combined" Thermal and Pressure Effects
研究人员在IVT内部子模型中引入初始半椭圆表面裂纹（初始长度7.5 mm，6步扩展至10.5 mm），分别施加"仅压力"与"压力＋热载荷"两载荷步。通过M积分求得SIF沿裂纹前缘分布，结果表明"压力＋热载荷"工况下的SIF显著高于仅受压工况，证实热-机械载荷耦合使结构受力状况更为严峻。Von Mises应力云图显示裂纹引入后局部应力集中明显。
3 Multiple Crack Analysis
研究人员在相邻两处潜在临界区同时引入两枚半椭圆裂纹（初始深度1 mm，表面半宽3 mm），经10步扩展至深度6 mm。计算所得SIF显示相邻裂纹间存在相互作用效应，双裂纹情景下局部SIF有所升高，给出了该初始配置的最不利情况参考。
4 Lifetime Assessment
研究人员采用文献中Eurofer97依赖温度T与应力比R的Paris定律参数，将模拟中各裂纹扩展增量与所需载荷循环数关联。EU-DEMO两整功率年约10 000次循环，此期间裂纹1深度方向扩展约2 mm及1.4 mm（对文中所示两种条件）。沿裂纹前缘逐点代入当地T和R使疲劳寿命预测更精确反映实际工况的空间差异性。
5 Elasto-Plastic Analysis
研究人员采用Eurofer97的弹塑性应力-应变曲线对含裂纹子模型进行计算。无裂纹子模型整体未见明显屈服；引入裂纹后仅在裂纹尖端存在极有限的等效塑性应变局部化区域，塑性变形可忽略。这验证了前述LEFM假设及所得SIF与寿命评估结果在该载荷条件下有效可靠。
6 Conclusions（结论翻译）：
本研究对真实热-机械载荷下的DEMO偏滤器进行了断裂力学评估。通过结合整体有限元建模、子模型技术及基于LEFM的裂纹扩展分析，研究了裂纹对疲劳寿命的影响。压力与循环热载荷的联合作用被证明较单独压力显著提高应力强度因子，凸显了真实运行载荷场景的关键性。基于Paris定律并考虑沿裂纹前缘局部温度和应力比进行的寿命评估，实现了疲劳寿命的详细预测。弹塑性分析确认塑性变形可忽略，验证了本研究中LEFM假设对该部件及载荷条件的适用性。总体而言，研究结果为裂纹扩展与疲劳寿命评估提供了定量框架，支撑未来聚变堆偏滤器组件的设计优化与可靠性评定。
