中國聚變工程實驗堆（China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR）的增殖包層采用多模塊的設(shè)計方案,即在環(huán)向和極向上由多個包層模塊組成。當(dāng)發(fā)生等離子體大破裂或垂直位移事件等電磁工況時,增殖包層上感應(yīng)產(chǎn)生的巨大電磁載荷將共同作用于背板結(jié)構(gòu)上,嚴重影響增殖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為了研究增殖包層極向分塊對背板電磁載荷分布的影響,使用通用有限元軟件ANSYS,實現(xiàn)了一個具有36 ms指數(shù)電流猝滅的等離子大破裂工況模擬。首先系統(tǒng)評估了采用U型套管方式的氦冷陶瓷增殖（Helium Cooled Ceramic Breeder,HCCB）包層模塊上的電磁力和力矩分布。然后詳細比較不同極向分塊形式對包層扇段電磁載荷分布的影響。研究結(jié)果表明:當(dāng)高場側(cè)包層模塊位置和數(shù)目不變時,通過增加低場側(cè)包層的極向分塊數(shù)目,等離子體大破裂工況在低場側(cè)包層上產(chǎn)生的電磁力和力矩均有所減少。對于高場側(cè)包層,當(dāng)?shù)蛨鰝?cè)包層極向分塊增加時,徑向方向的電磁力有稍微的增加,其他兩個方向變化不明顯。此外,隨著極向分塊數(shù)目的增加,高/低場側(cè)包層扇段包層的總電磁力均表現(xiàn)出下降的趨勢。 

【文章來源】：核技術(shù). 2020,43(01)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

HCCB包層爆炸

在球環(huán)裝置中，由于環(huán)徑比較小，等離子體β值一般都較高，發(fā)生等離子體大破裂的頻率低于托卡馬克。但對于托卡馬克裝置而言，等離子體大破裂是其運行中不可避免的極快失控事件。當(dāng)發(fā)生等離子大破裂時，表現(xiàn)為等離子體極快的冷卻和電流損失，面對等離子的材料元件受到很大的機械應(yīng)力和電磁載荷，甚至產(chǎn)生嚴重的變形。增殖包層就屬于面向等離子元件。評估等離子電磁工況（等離子體大破裂和垂直位移事件）發(fā)生時包層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是包層設(shè)計階段一項非常重要的工作[4?5]。中國包層設(shè)計組及歐洲核聚變示范堆（EU DEMO）開展了大量電磁載荷對包層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響的評估與優(yōu)化工作。對等離子體大破裂、垂直位移事件等電磁工況以及包層環(huán)向扇段分割對包層系統(tǒng)電磁載荷分布影響，都進行了詳細的研究了討論[6?9]。但目前還沒有工作開展過極向分塊數(shù)目對于增殖包層電磁載荷影響的研究。CFETR增殖包層在極向上采用多模塊設(shè)計方案，增殖包層通過柔性支撐與背板相連，如圖1所示。因此在電磁工況發(fā)生時，包層模塊上產(chǎn)生的電磁力均會整體作用在背板上。本文采用通用有限元軟件ANSYS，分析計算在等離子體破裂時，包層極向分塊對于電磁載荷評估的影響。首先，詳細分析了氦冷陶瓷增殖（Helium Cooled Ceramic Breeder,HCCB）包層模塊中產(chǎn)生的感應(yīng)渦流和電磁載荷。然后研究了極向分塊數(shù)目對于高/低場側(cè)包層電磁力和力矩的影響研究。CFETR等離子體大破裂時等離子體采用36 ms的指數(shù)衰減形式，總的計算時間500 ms。

由于診斷裝置或加熱系統(tǒng)需要安裝在增殖包層上，因此設(shè)計人員根據(jù)尺寸要求，在極向方向調(diào)整了包層模塊的分布[7]。我們重新將赤道窗口處的8號包層模塊劃分為兩個較小的模塊。同時，原包層模塊6號和7號的尺寸也做相應(yīng)修改，最終變?yōu)?個包層模塊。最后，將每個低場側(cè)扇段的模塊數(shù)量改為7個，如圖2所示。對于更新的HCCB包層，編號1～5號定義為高場側(cè)包層模塊，編號6～12號定義為低場側(cè)包層模塊。圖3展示了采用U型套管方式的HCCB包層。HCCB包層由增殖單元、第一壁、上下蓋板和背板組成。高、低場側(cè)包層模塊將與背板支撐一起維護，這與之前的設(shè)計相同[6]。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]CFETR氦冷陶瓷增殖包層在等離子體主破裂時的電磁結(jié)構(gòu)耦合分析[J]. 王明,雷明準,宋云濤,魯明宣,裴坤,劉素梅.  核技術(shù). 2017(06)

碩士論文
[1]CFETR氦冷固態(tài)包層電磁載荷評估[D]. 金成.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2017



本文編號：3468006