CFETR中心螺线管线圈结构设计和电磁分析

摘要

中国聚变工程实验堆CFETR是即将由我国自主研制、物理和工程参数介于ITER和DEMO之间的托卡马克实验堆，对我国未来实现商业核聚变反应堆具有重要意义。中心螺线管是CFETR的核心部件之一，对等离子体的产生、成形和稳定运行起到关键作用。本文对CFETR中心螺线管以及相关的支撑结构、预紧结构设计作了较为详细的描述，并为验证其安全性和合理性进行了较为完整的电磁和结构分析。
　　本文首先使用ANSYS有限元分析软件对CFETR超导磁体系统进行了在ITER-like、Super-X以及Snow-flake三种不同的磁场位形下的二维和三维电磁分析，得到了CFETR在稳态电流工况下的磁感应强度和电磁力的大小和分布，所得磁场的峰值达到了11.89 T，结果较好地满足了设计所要求的理论值。通过电磁分析所得到的电磁力结果为中心螺线管的结构分析提供了重要的载荷。同时还对中心螺线管进行了三维瞬态电磁分析，得到了瞬态电流工况下的涡流、电磁力和焦耳热等结果，为进一步进行结构和热分析提供了重要载荷条件。
　　本文使用ANSYS对CFETR中心螺线管线圈及其相关结构（包括预紧力结构、下部支撑结构、上部对中结构以及绝缘板等）进行了较为详细准确的有限元建模，并利用电磁分析所得的电磁力结果对上述结构进行了详细的电磁—结构耦合有限元分析，得到了中线螺线管以及相关结构的应力和位移等结果。在电磁—结构耦合分析的基础之上，采用保持预紧力载荷不变、改变预紧板径向厚度的方法对预紧力结构的关键部件预紧板进行了优化分析。上述所得结果较好地满足了设计准则的要求，从而验证了CFETR中心螺线管结构设计的安全合理性。