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

1、國際熱核聚變實(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、無盡的聚變能的切實(shí)期待。ITER計劃的初衷是通過廣泛的人類合作的方式，和平開發(fā)利用核能，其主要目標(biāo)是通過實(shí)驗(yàn)包層模塊(TBM)，為未來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)由中國確認(rèn)的參與ITER計劃實(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、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間內(nèi)破裂為零，引起的電磁瞬變會造成 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的噸量級鐵磁材料在強(qiáng)磁場下會因磁化而受到很強(qiáng)的麥克斯韋力。
　　本文在總結(jié)國內(nèi)外TBM電磁安全研究方法的基礎(chǔ)上，通過電磁場有限元仿真評估了ITER等離子體大破裂和

3、垂直位移事件下中國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的位形在空間和時間上的動態(tài)變化。通過建立有限個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。通過特征點(diǎn)提取簡化了仿真時間步，輸出了瞬態(tài)仿真的載荷步文件。通過實(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破裂工況的瞬態(tài)分析，計算得到了三個工況下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，在三個等離子體破裂工況中，中國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。通過力