ITER下部垂直稳定性线圈性能分析及优化设计

摘要

等离子的垂直稳定性对托卡马克的稳态运行、工作性能非常重要。国际热核聚变实验堆(ITER)通过三种线圈系统:极向场线圈、中心螺线管、真空室内部线圈(IVC)实现对等离子体垂直位置的控制。ITER下部垂直稳定性线圈是IVC系统的一部分，它和上部垂直稳定性线圈组成“马鞍状”反向串接结构，共同维持等离子体的垂直稳定性。由于真空室内的特殊环境，位于其内的线圈必须承受强磁场、高温、中子辐射等恶劣载荷。因此，ITER垂直稳定性线圈的结构性能评估显得格外重要。本文借助于ANSYS有限元分析软件，依次从电磁、热、结构三个方面对ITER下部垂直稳定性线圈的环形线圈主体、馈线(feeder)及其引出部分(break-out)进行了分析。其中电磁分析使用了等离子体放电历程中具有最强背景磁场的载荷工况:End-of-Burn(EOB)，以得出保守的电磁力作为结构分析的输入载荷;热分析计入了欧姆热、中子核热、冷却对流、传导、辐射等热载荷，得出了线圈满负载、稳态运行时各工况的温度分布，为热应力的计算奠定基础;结构分析则以电磁分析所得电磁力、热分析所得温度分布导入作为载荷，同时计入自重、冷却水压等其他载荷和边界条件，对线圈的静态、疲劳应力做了评估。由结构分析结果可知，ITER下部垂直稳定性线圈在脊梁(spine)切槽拐角、导体外壳(jacket)与固位夹钳（clamp）界面、break-out及feeder等位置出现应力过大甚至严重集中的问题。为解决线圈的以上应力问题，本文从多方位出发提出了线圈的优化设计方案，并通过分析计算验证了各种方案对其结构性能的改善效果。其中包括了:spine切槽倒角、切槽深度对应力的改善分析;clamp纵向分布、横向结构及接触状态对应力的影响研究;额外金属块对break-out的奇点消除方案;支撑分布、金属套筒对feeder刚度的改善研究等。在多种可行的优化方案相互配合下，线圈对应组件的优化效果十分明显，最终降至设计标准以内。