AbstractMaterials in the form of particle beds have been considered for shielding and tritium breeding as well as neutron multiplication in many of the conceptual reactor design studies. As the level of effort of the fusion blanket community in the area of out-of-pile and in-pile (ITER) testing of integrated test modules increases, so does the need for modelling capability for predicting the thermomechanical responses of the test modules under reactor environment.In this study, the thermomechanical responses of a particle bed-structural wall system in a layered configuration, subjected to bed temperature rise and/or external coolant pressure, were considered. Equations were derived which represent the dependence of the particle-to-particle and particle-to-wall contact forces and areas on the structural wall deformations and in turn on the thermomechanical loads. Using the derived equations, parametric analyses were performed to study the variations in the thermomechanical response quantities of a beryllium particle bed-stainless steel structural wall when subjected to thermomechanical loads. The results are presented in two parts. In Part I, presented in this paper, the derivation of the analytical equations and the effects of bed temperature rise are discussed. In Part II of this study, also presented in this symposium, the effects of external coolant pressure as well as the combined effects of bed temperature rise and coolant pressure on the thermomechanical responses are given.It is shown that, depending on the stiffness of the structural walls, uniform bed temperature rises in the range 100–400°C result in non-uniform effective thermal properties through the prticle bed, and could increase the bed effective thermal conductivity by a factor of 2–5 and the bed-wall interface thermal conductance by even a larger factor.
抄録 粒子ベッドの形態を有する材料は、多くの概念設計における炉設計研究において、遮蔽およびトリチウム増殖、ならびに中性子増倍のために検討されてきた。核融合ブランケットコミュニティにおける、炉外試験および炉内（ITER）試験による統合試験モジュールの試験に関する取り組みの水準が高まるにつれて、炉環境下における試験モジュールの熱機械応答を予測するためのモデリング能力へのニーズも高まっている。本研究では、層状配置における粒子ベッド-構造壁システムの熱機械応答について、ベッド温度上昇および/または外部冷却材圧力を受ける条件下で検討した。粒子間および粒子-壁間の接触力と接触面積が、構造壁の変形に依存し、ひいては熱機械荷重に依存することを表す方程式を導出した。導出した方程式を用いて、ベリリウム粒子ベッド-ステンレス鋼構造壁が熱機械荷重を受けた場合の熱機械応答量の変化を調べるためのパラメトリック解析を実施した。結果は2部構成で示される。第1部（本論文で提示）では、解析方程式の導出とベッド温度上昇の影響について考察する。第2部（本シンポジウムで提示）では、外部冷却材圧力の影響、ならびにベッド温度上昇と冷却材圧力の複合効果による熱機械応答について述べる。構造壁の剛性に応じて、100～400°Cの範囲の均一なベッド温度上昇により、粒子ベッド内に不均一な有効熱特性が生じ、ベッドの有効熱伝導率が2～5倍に増加し、ベッド-壁界面の熱コンダクタンスはさらに大きな倍率で増加し得ることが示された。