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龙图腾网获悉中国科学院合肥物质科学研究院申请的专利一种基于拓扑优化的聚变堆固态包层设计方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN116072238B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2026-01-02发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202310062413.1，技术领域涉及：G16C20/10；该发明授权一种基于拓扑优化的聚变堆固态包层设计方法是由蒋科成;陈磊;刘松林;成晓曼;马学斌;祝庆军设计研发完成，并于2023-01-17向国家知识产权局提交的专利申请。

本一种基于拓扑优化的聚变堆固态包层设计方法在说明书摘要公布了：本发明公开了一种基于拓扑优化的聚变堆固态包层设计方法，基于聚变堆固态包层沿径向分层布置的拓扑结构特征，研究中子学、热工水力学、结构力学多物理场耦合机制，通过理论分析与多元非线性回归方法，建立多物理场各参量之间的耦合模型；在材料温度及结构力学性能的约束条件下，构建氚增殖比最大化有约束的拓扑优化模型；采用拉格朗日函数及KKT条件将其转换为氚增殖比最大化无约束的拓扑优化模型，通过梯度下降算法求解，获得能够满足设计准则的包层径向拓扑结构。建立包层三维模型，开展全堆中子学、热工水力学以及结构力学性能分析，评估包层产氚、排热及结构安全性能，验证使用拓扑优化模型可高效获得多场综合性能最优的包层设计方案。

本发明授权一种基于拓扑优化的聚变堆固态包层设计方法在权利要求书中公布了：1.一种基于拓扑优化的聚变堆固态包层设计方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1基于聚变堆固态包层沿径向分层布置的拓扑结构特征，研究中子学、热工水力学以及结构力学物理场之间的耦合机制，构建多物理场参量间的耦合模型，包括如下步骤： 步骤1.1构建聚变堆包层的中子学模型，通过蒙特卡洛中子输运分析，获得氚增殖比、核热沉积在包层内的空间分布，采用单一变量控制法，定量分析氚增殖比与核热沉积的空间分布特征，通过理论分析与多元非线性回归，构建集“中子壁负载、球床填充结构、氚增殖比、核热沉积、拓扑结构”为一体的“结构-中子”耦合模型； 步骤1.2基于傅里叶导热定律和Robin条件，对包层径向拓扑结构构建多层平壁热输运方程，并引入核热沉积随空间的分布进行求解，获得第一壁钢结构、冷却部件及增殖区的包层结构功能部件的温度分布，据此建立“中子-热工”耦合模型； 步骤1.3在第一壁钢结构、冷却部件及增殖区的包层结构功能部件的温度场基础上，首先，通过梁理论，建立第一壁钢结构、冷却部件的包层结构部件的一次应力随冷却剂和增殖球床热膨胀载荷变化的函数模型；其次，通过热弹性本构定律，线性化处理应力与应变的关系，如公式1～4所示； 在热梯度作用下，通过外力和外力矩积分处理，构建“热工-结构”耦合模型； 热弹性本构定律： 式中，εij是应变张量；G是剪切模量，单位是Pa；σij和σkk是不同坐标方向上的应力张量；ν是泊松比；α是线膨胀系数，单位是1K；△T是温度变化量，单位是K；δij是克罗内克符号； 一维应力-应变线性化处理： σ＝E[ε-α△T]2 ε＝Ax+B3 σ＝E[Ax+B-α△T]4 式中A、B是待求解常数；E为杨氏模量；G为剪切模量，Pa；σ为应力，Pa；ε为应变；ν为泊松比；δ为克罗内克符号；α是线膨胀系数，1K；△T为温度变化量，K；x是坐标位置； 步骤2基于“结构-中子”、“中子-热工”及“热工-结构”耦合模型，分别构造氚增殖比、材料温度及应力-应变随拓扑结构各层的宽度w、材料类型β，球床填充结构γ关联的响应模型，进一步建立以氚增殖比最大化的目标函数，如公式5所示，优化变量包括拓扑结构各层的宽度w、材料类型β，球床填充结构γ； 目标函数： 式中TBR是氚增殖比；是拓扑结构各层材料的宽度，m；是材料类型；是球床填充结构； 步骤3对目标函数引入两类约束条件hx和gx，包括材料最高温度低于上限tlimit，以及第一壁钢结构、冷却部件的包层结构部件的最大应力-应变满足有关设计准则σlimit，构造氚增殖比最大化有约束的拓扑优化模型，通过拉格朗日乘子法及KKT条件，引入辅助变量λ和μ，将其转化为氚增殖比最大化无约束的拓扑优化模型； 约束条件为： 拉格朗日函数为： 步骤4设定球床填充结构和拓扑结构为初始优化参数向量θj，通过无约束的拓扑优化模型，计算氚增殖比随优化参数变化的梯度将参数沿梯度方向“下降”，获得最新的优化参数向量θj+1，迭代更新直到所有初始参数被完全检索收敛，通过KKT条件判据，确定满足约束条件下产氚性能最佳的包层径向拓扑结构； 式中θj是初始优化参数向量，包括球床填充结构和拓扑结构；和是氚增殖比随优化各参数变化的梯度；β1、β2和β3是辅助变量，介于0～1之间；θj+1是优化后的参数向量； 步骤5基于拓扑优化模型获得包层的径向拓扑结构，建立三维聚变堆包层模型，开展全堆中子学、全包层模块的热工水力学和结构力学分析，评估包层产氚、排热及结构安全性能，验证所述拓扑优化模型能够高效获得多场综合性能最优的包层设计方案。

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