论文部分内容阅读
国际热核聚变实验堆(ITER,International Thermonuclear Experimental Reactor)是正在建造的世界最大托卡马克实验堆,承载着人类关于安全、洁净、无尽的聚变能的切实期待。ITER计划的初衷是通过广泛的人类合作的方式,和平开发利用核能,其主要目标是通过实验包层模块(TBM,Test Blanket Module),为未来商用聚变电站提供氚燃料增殖、高品味热能提取等相关聚变技术的实验数据和经验支撑。氦冷陶瓷氚增殖剂实验包层模块(HCCB TBM,Helium Cooled Ceramic Breeder TBM)是已经由中国确认的参与ITER计划实验的TBM概念。实验包层模块安装在托卡马克的赤道窗口内,其结构必须经受强磁场、高热流密度、高中子辐射的挑战。由于HCCB TBM结构材料的铁磁特性,一方面,在ITER等离子体事故中,典型值为15MA的等离子体电流在几十毫秒的时间内破裂为零,引起的电磁瞬变会造成TBM导体结构因电磁感应而受到强烈的洛伦兹力;另一方面,TBM的吨量级铁磁材料在强磁场下会因磁化而受到很强的麦克斯韦力。本论文在总结了国内外TBM电磁安全研究方法的基础上,通过电磁场有限元仿真评估了ITER等离子体大破裂和垂直位移事件下中国HCCB TBM受到的电磁力。TBM电磁安全分析的关键是仿真等离子体破裂时的位形在空间和时间上的动态变化。本论文通过建立有限个固定的的体电流单元,完成了ITER等离子体破裂模拟程序输出的位置变化的线电流集合的近似。通过特征点提取简化了仿真时间步,输出了瞬态仿真的载荷步文件。通过实体建模方法在ANSYS中建立了ITER 1/18扇形有限元模型,模型覆盖了ITER托卡马克的主要部件。利用该模型,使用批处理技术和MVP(Magnetic Vector Potential)方法完成了等离子体大破裂和垂直位移事件中的三个破裂工况的瞬态分析,计算得到了三个工况下TBM上的洛伦兹力;使用MSP(Magnetic Scalar Potential)方法静态分析了TBM上的麦克斯韦力。分析结果表明,在三个等离子体破裂工况中,中国HCCB TBM上受到拉向等离子方向的径向洛伦兹力和麦克斯韦力远远大于其他方向,洛伦兹力最大达到55.47kN,麦克斯韦力达到117.88kN。通过力矩计算和定性分析,TBM在等离子体破裂事故中将因洛伦兹力冲击而发生扭动和振动。