EAST钨铜偏滤器在VDE电磁载荷作用下的运行能力评估

摘要

EAST装置作为全世界第一个全超导的托卡马克装置已经实现了1MA等离子体电流运行，且首次实现了400秒的长脉冲放电运行和稳定可重复大于30秒的高约束模式等离子体放电，必将进一步为稳态高温等离子体物理研究和聚变能发展做出贡献。内部部件作为托卡马克装置最为核心的部件之一，是高温等离子体到常温固体器壁的过渡区域。由于真空室内，电磁场、热环境复杂多变，内部部件不仅会承受来自等离子体的高热负荷，同时还要承受巨大而复杂的热应力、电磁力，这些都会对内部部件特别是偏滤器部件的长期有效运行带来阻碍。其中电磁载荷往往量级大、持续时间短，对内部部件会造成冲击破坏。在EAST的上偏滤器模块中，内靶板和外靶板都采用了mono-block的冷却结构，由于钨块之间存在间隙，CQ和VDE中感应涡流大大减小。而VDE事件下流经第一壁结构部件的Halo电流，其值与等离子体电流为一个量级，最大可达到等离子体电流的50％，Halo电流与托卡马克装置的强磁场作用产生巨大的电磁冲击会是未来研究电磁载荷对内部部件作用的重点对象。为了探究电磁载荷对EAST装置的影响，本文做了以下三个方面的工作:1.针对内部部件的钨、钼合金和铬锆铜三材料的动态性能研究，通过准静态压缩拉伸和高温霍普金森杆实验研究，总结了三种材料的力学性能，并建立了Johnson-Cook本构模型;2.根据ITER垂直位移事件的研究，对EAST上偏滤器在Inward configuration、Outward configuration和Central configuration等三种电流配置下计算了离子体电流取1MA、500kA、200kA和100kA的Halo电流分布，并根据电流结果计算了电磁力，通过导入电磁载荷进行静力学分析，通过分析结果对偏滤器部件的强度进行了评定;3.根据上述计算的电磁载荷和随时间的变化规律，对内靶板最大载荷处的一段mono-block结构进行了动力学响应分析，并根据响应结果进行了强度分析和寿命预测。本文的工作都是围绕最大电磁载荷作用下EAST钨铜偏滤器的运行能力评估展开的，实验计算分析等工作对EAST钨铜偏滤器的安全稳定运行有重要的参考意义。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 受控核聚变

1．2 EAST全超导托卡马克装置

1．3 内部部件的损伤失效研究概况

1．4 本文的主要内容及意义

第2章 偏滤器上的电磁载荷概况与评价标准

2．1 偏滤器上的电磁载荷

2．2 电磁载荷计算的分析方法

2．3 评定标准

2．4 本章小结

第3章 第一壁材料的动态力学性能研究

3．1 实验背景和实验原理

3．2 第一壁材料实验

3．2．1 实验方案

3．2．2 实验结果及分析

3．3 第一壁材料模型

3．3．1 动态本构参数拟合

3．3．2 静态参数拟合

3．3．3 动态参数拟合

3．4 本章小结

第4章 垂直位移事件下的电磁和结构分析

4．1 垂直位移事件与Halo电流的特性

4．2 EAST上偏滤器Halo电流传导分析

4．2．1 分析模型建立

4．2．2 载荷和边界条件

4．2．3 结果与分析

4．3 EAST偏滤器三维电磁结构耦合分析

4．3．1 分析模型建立

4．3．2 载荷和边界条件

4．3．3 结果与分析

4．5 动力学响应分析及评定

4．5．1 分析模型建立

4．5．2 载荷和边界条件

4．5．3 结果与分析

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 工作展望

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