EAST适合高性能等离子体运行的偏滤器工程研究

摘要

本论文就国家大科学装置EAST托卡马克试验装置适合高性能等离子体运行的偏滤器进行了工程设计研究。EAST的ITER-like上钨偏滤器的使用创造了等离子体101.2秒长脉冲运行的世界记录，为CFETR建设等提供丰富的设计经验。现拟继续提高偏滤器靶板热负荷要求达到更高参数的长脉冲的稳定运行，同时也是“十三五”的目标需求;提出了满足长脉冲、H模高β等离子体运行的先进钨偏滤器几何位形。在未来先进钨偏滤器下，高热负荷区域采用钨串结构的水冷下偏滤器的冷却系统，偏滤器第一壁材料满足稳态10MW/m2热流密度要求，以实现超长脉冲高约束模下运行为目标。 本课题开始于2015年底，以EAST下钨偏滤器升级改造为研究对象。基于已有的EAST装置的历史等离子体位形，根据模拟偏滤器靶板上电子温度、热流密度、电子密度等参数，分析杂质、中性粒子等气体载荷，以及不同三角度δ下的等离子体位形，研究在工程上比较可靠的结构参数，充分合理利用本来就比较狭小的真空室的偏滤器区域，建立适合多位形等离子体的偏滤器结构。分析Monoblock的传热特性和钨块形状对传热性能的影响，提出了适合高性能等离子体运行的先进钨偏滤器的单元水流速度及满足冷却要求的冷却系统。设计了多种偏滤器冷却方案，采用有限元分析的方法，对下偏滤器的各种冷却结构进行传热分析和模拟仿真。提出了先进下偏滤器单个供水单元的水冷结构设计，进行了供水单元的水流分析。并就EAST下偏滤器冷却结构的传热性能及应力进行了数值模拟仿真研究并确定最优方案。设计多种偏滤器安装方式，最终确定整体式偏滤器作为最佳方案，针对该方案设计了偏滤器打击点、非打击点靶板，以及双齿条加楔块方式的支撑系统设计。 分析了在等离子体发生垂直位移事件时，偏滤器上各部分的HALO电磁力和涡流电磁力矩的计算和结构分析。对装置分析运用两种工况分析偏滤器的工程设计能力，结果显示各材料即偏滤器Cassette及支撑结构、外水平靶板、内靶板、DOME、外Baffle等的最大等效应力及变形均在许用范围内，所设计适合高性能等离子体运行的偏滤器满足设计要求。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．1．1能源现状及核聚变研究

1．1．2偏滤器Tokamak发展和应用

1．2偏滤器概述

1．2．1偏滤器构成

1．2．2偏滤器运行模式

1．3 EAST偏滤器研究现状

1．4各章节内容介绍

第二章EAST先进偏滤器几何位形设计及优化

2．1设计目标

2．2 EAST典型放电位形

2．3几何位形优化

2．3．1基本偏滤器几何位形及特点

2．3．2几何位形Ⅰ及其优缺点

2．3．3几何位形Ⅱ及其优缺点

2．3．4几何位形Ⅲ及其优缺点

2．3．5几何位形Ⅳ及其优缺点

2．4最优几何位形的确定

2．5本章小结

第三章EAST先进偏滤器传热结构及热工水力分析

3．1冷却结构设计

3．1．1水冷冷却结构

3．1．2钨串形状与排热能力关系研究

3．1．3水冷参数与钨串排热能力的关系研究

3．2水冷方案总体设计

3．3外打击点靶板冷却回路设计及优化

3．3．1八钨串全并联型冷却结构

3．3．2四钨串并联型冷却结构及传热分析

3．3．3两钨串并联型冷却结构及传热分析

3．3．4三钨串并联型冷却结构及传热分析

3．4其余靶板及供水单元的冷却结构和传热分析

3．5本章小结

第四章EAST先进偏滤器结构方案研究

4．1总体布局方案研究

4．1．1分离式总体方案

4．1．2混合式总体方案

4．1．3整体式总体方案

4．2整体悬挂式支撑方案

4．2．1自由度分析

4．2．2双齿条及楔块支撑机构

4．2．3偏滤器支撑方式及自由度分析

4．3外打击点靶板结构设计

4．4外非打击点靶板结构设计

4．5内打击点靶板结构设计

4．6本章小结

第五章EAST先进偏滤器力学性能分析

5．1工况一应力分析

5．1．1打击点靶板应力分析

5．1．2非打击点靶板应力分析

5．2工况二应力分析

5．2．1 VDE事件与HALO电流

5．2．2 HALO电流和涡流产生

5．2．3工况二下结构应力分析

5．3本章小结

6．1全文总结

6．2未来展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果