基于動(dòng)態(tài)等離子體電流激勵(lì)的實(shí)驗(yàn)包層模塊電磁安全研究.pdf

1、國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)是正在建造的世界最大托卡馬克實(shí)驗(yàn)堆，承載著人類關(guān)于安全、潔凈、無(wú)盡的聚變能的切實(shí)期待。ITER計(jì)劃的初衷是通過(guò)廣泛的人類合作的方式，和平開(kāi)發(fā)利用核能，其主要目標(biāo)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)包層模塊(TBM)，為未來(lái)商用聚變電站提供氚燃料增殖、高品味熱能提取等相關(guān)聚變技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)支撐。氦冷陶瓷氚增殖劑實(shí)驗(yàn)包層模塊(HCCB TBM)是已經(jīng)由中國(guó)確認(rèn)的參與ITER計(jì)劃實(shí)驗(yàn)的TBM概念。實(shí)驗(yàn)包層模塊安裝在托卡馬克的赤道窗口

2、內(nèi)，其結(jié)構(gòu)必須經(jīng)受強(qiáng)磁場(chǎng)、高熱流密度、高中子輻射的挑戰(zhàn)。由于HCCB TBM結(jié)構(gòu)材料的鐵磁特性，一方面，在ITER等離子體事故中，典型值為15MA的等離子體電流在幾十毫秒的時(shí)間內(nèi)破裂為零，引起的電磁瞬變會(huì)造成 TBM導(dǎo)體結(jié)構(gòu)因電磁感應(yīng)而受到強(qiáng)烈的洛倫茲力；另一方面，TBM的噸量級(jí)鐵磁材料在強(qiáng)磁場(chǎng)下會(huì)因磁化而受到很強(qiáng)的麥克斯韋力。
　　本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外TBM電磁安全研究方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)電磁場(chǎng)有限元仿真評(píng)估了ITER等離子體大破裂和

3、垂直位移事件下中國(guó)HCCB TBM受到的電磁力。TBM電磁安全分析的關(guān)鍵是仿真等離子體破裂時(shí)的位形在空間和時(shí)間上的動(dòng)態(tài)變化。通過(guò)建立有限個(gè)固定的的體電流單元，完成了ITER等離子體破裂模擬程序輸出的位置變化的線電流集合的近似。通過(guò)特征點(diǎn)提取簡(jiǎn)化了仿真時(shí)間步，輸出了瞬態(tài)仿真的載荷步文件。通過(guò)實(shí)體建模方法在ANSYS中建立了ITER1/18扇形有限元模型，模型覆蓋了ITER托卡馬克的主要部件。利用該模型，使用批處理技術(shù)和MVP(Magnet

4、ic Vector Potential)方法完成了等離子體大破裂和垂直位移事件中的三個(gè)破裂工況的瞬態(tài)分析，計(jì)算得到了三個(gè)工況下TBM上的洛倫茲力；使用MSP(Magnetic Scalar Potential)方法靜態(tài)分析了TBM上的麥克斯韋力。分析結(jié)果表明，在三個(gè)等離子體破裂工況中，中國(guó)HCCB TBM上受到拉向等離子方向的徑向洛倫茲力和麥克斯韋力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他方向，洛倫茲力最大達(dá)到55.47kN，麥克斯韋力達(dá)到117.88kN。通過(guò)力