（固体力学专业论文）电动力载荷下HT7U超导托卡马克磁体系统研究.pdf

摘要 摘要 h t - 7 u 超肆托卡马克核聚变装鼹的建设是国家“九五”重大科学工程项目，它 将开震稳态、安全、离效运行的先遴托卡马克聚变壤的蔻港燃狻理阏疆豹实骏秘究， 它的建成将奠定我国磁约束聚变磺究在国繇上抟矮先蟪整。箨为h t - 7 u 装嚣鹣狻 心郝 串磁体系统( 氲攒鳜殇和极向场磁体系统) ，其质艇的优劣将直接影响到 整个装置静成效，戮j 避在工程设诗输段对其避彳亍详缩静结构分析是十分必簧豹。本 文谯已商的工作基础上就电动力载耱作用下的h t - 7 u 姨置整个磁体系统进行了详 细的结构力学分辑，目豹是海靛置磁体系统浆设诗提供更加胃靠韵参考依据。 本文蓄先对装爨磁钵系统麴磁场强度分京逡嚣了译缍静分获，结粟表稳警蘸熬 设计满足装踅的物理设计要求，进丽详细分析了磁体系统超导线圈上受到的电动力 载葡分布情况。接着本文通过实验研究和利用有限元技术进行模叛爨耀薄尝摆缝合 的办法讨论了导体暇数对越导线整性能的影镌，为磁钵系绕趣导线圈等效为套蠢异 性耩料提供了依据；在就基础上本文把h t - 7 u 装鬣的超导线圈等效为备向异性材 糕，溺辩翻援鹭匀纯方法对萁等效穗辩参数逶稽了分褥诗箕。势逶遗算锯验诞了诗 算结果的可靠性。这些都为装登磁体系统的结构分亳蓐提供了必要的参数。 本文对骶一7 u 装鬟磁体系统避行了详细黪终聋奄力学势撰。本文蓄先建立了 瓣一? u 装登级场磁诲系绞鹣兰缨摸樊，慕弱a n s y s 软终鼹珙鹁多貔疆场联合求瓣功 能和子模垄授术，在保 正载简施加的更加准确和边界条件更加合理的基础上，利用 褥劐的电动力载荷釉更翻准确的税料参数，对电动力载蘅终掰下毅场磁体系统靛缝 孝句邀褥了详鳃懿力学分橱；阊时建立了纵场滋体系绕截露的二维模型，详细分揖了 磁体系统内帮的痤力分布戳及接魅瑟摩擦对结檎静影褊；遗避三维粕二维模激结构 分树，褥载了较为详细释港麓豹缴螨磁体系统在奄动力载萄嚣溺下瓣应秀帮袋移分 布情况。本文最后详细分析了极向场各个线圈在极向场磁体系统一个放电周期内的 应力和位移分布变化情况。这些结浆姆为h i 一7 u 装鬣磁髂系绒靛设诗提供必簧的参 考。 荚键词：湃一7 u 挠卡骂蕹装疑磁体系统 结梅分斩 ! 黢! 坠堡 a b s t r a c t t h eh b 7 u s u p e r c o n d u c t i n gt o k a m a k ，w h i c hi sa p p r o v e db yc h i n e s eg o v e r n m e n t i s 撼a d v a n c e d s t e a d y - s t a t ep l a s m ap h y s i c se x p e 内 n e n t a ld e v i c et ob eb u i l ta tt h ei n s t i t u t e o f p l a s m a p h y s i c s ，t h ec h i n e s ea c a d e m yo f s c i e n c e s ( c a s i p p ) n es c i e n t i f i cm i s s i o no f t h eh t - 7 u p r o j e c ti st os t u d yp h y s i c a li s s u e s0 1 1t h es u s t a i n m e n to f a n o n - b u r n i n gp l a s m a s c e n a r i of o rt h es t e a d y s t a t eo p e r a t i o no f n e x t g e n e r a t i o na d v a n c e dt o k a m a kd e v i c e s 。t h e s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ts y s t e m ( i n c l u d i n gt o t o i d a lf i e l df r d a n dp o l o i d a lf i e l d 霉玲) i so n eo ft h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h eh t - 7 ud e v i c e ，w h i c hh a v er a t h e rc o m p l e x s t r u c t u r e s 。t no r d e rt od e s i g nt h es t r u c t u r eo fm a g n e ts y s t e m ，i ti sv e r yn e c e s s a d , t o a n a l y z et h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c s t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fm a g n e ts y s t e mu n d e r e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei sa n a b 哩e d a l lt h e s er e s u l t sw i l lh e l pt oa n a l y z et h em e c h a n i c s b e h a v i o ro f m a g n e ts y s t e mo f h t - 7 ut o k a m a kd e v i c e i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ee t e t r o - m a g n e t i cd i s t r i b u t i o ni sa n a l y z e df i r s t t h er e s u l ti s w e l lc o n s i s t e n tw i t l lt h er e q u i r e m e n to ft h ep h y s i c a ld e s i g n t h e ne l e c t r o - m a g n e t i cf o r c e o nt h es u p e r c o n d u c t i n gc o i l so f m a g n e ts y s t e mi sa n a l y z e d 。b a s e do ne x p e r i m e n ta n d f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) ，t h e i n f l u e n c eo ft h en u m b e ro fc a b l e - i n - c o n d u i t c o n d u c t o r s ( c i c c ) o nt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h es u p e r c o n d u c t i n gc o i l si sa l s oa r 斌y z e d t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo f t h i sd e v i c ei sv e r yd i f f i c u l tt oc a l c u l a t ed i r e c t l yb yf i n i t ee l e m e n t m e t h o db e c a u s eo fi t sc o m p l e xs t r u c t u r e s 。t h es u p e r c o n d u c t i n gc o i li se q u i v a l e n tt o h e t e r o g e n o u sm a t e r i a l ，a n db a s e do nt h eh o m o g e n i z a t i o n m e t h o di t se f f e c t i v ee l a s t i c i t y m o d u l u si sc a l c u l a t e d s o m ee x a m p l e sa r eg i v e n a l s o ， t h e3 dg l o b a la n d2 df i n i t ee l e m e n tm o d e l so ft fs y s t e mh a v eb e e nd e v e l o p e d w i t hc o u p l e - f i e l da n a l y s i st e c h n i q u e ，t h er e s u l to fe l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i sh a sb e e n u s e da s1 0 a d ss t r a i g h ti ns t r u c t u r a la n a l y s e s a n db a s e d o ns u b - m o d e la n a l y s i st e c l m i q u e ， t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n 凇b e m o r ec o r r e c t 糯s t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd i s p l a c e m e n to f t fs v s t e mu n d e re l e c t r o - m a g n e t i cf o r c eh a v eb e e na n a l y z e d w i t h3 da n d2 dm o d e l 1 1 1 e n o n - l i n e a ri n t e r f a c e sb e t w e e n t fc o i lc a s ea n ds u p e r c o n d u c t i n gc o i l sh a v e b e e na n a l y z e d w i t hd i f f e r e n c ef r i c t i o nc a p a b i l i t i e sa l s o 1 1 1 es t r u c t u r em e c h a n i c s b e h a v i o ro fp fc o i l si n ai n d u c t i v ed i s c h a r g ew a v e f o r m i sa l s oa n a l y z e d 。a l lt h e s e r e s u l t sw i l lh e l pt oa n a l y z e t h em e c h a n i c sb e h a v i o ra n dd e s i g nt h em a g n e ts y s t e m o f h t - 7 ut o k a m a kd e v i c e k e y w o r d s ：h t - 7 u s u p e r c o n d u c t i n g t o k a m a k ，m a g n e ts y s t e m ，s t r u c t u r a la n a l y s i s 致谢 本文是在张培强教授、武松涛研究员的指导下完成的，从论文的选题到最后 的完成，两位导师付出了大量的心血，作者对他们表示由衷的感谢。导n t f 渊博 的知识、严谨的治学精神、勤奋的工作作风，给我留下深刻的印象，这些精神财 富将不断地启迪和教育我，使我终身受益。 本文的完成离不开伍小平院士主持的“极低温条件下材料力学行为研究和宏 细观分析”国家自然科学基金课题( n o 1 9 7 3 2 0 0 1 ) 的支持，没有国家自然科学 基金自始至终的大力支持，本文是难以完成的，在此作者表示衷心的感谢。 本文的完成也离不开力学与机械工程系和中科院等离子体所的众多老师和 同学的帮助。在此特别感谢夏源明老师、刘云平老师对本文实验研究的指导和帮 助和潘引年老师、吴维越老师在h t 7 u 装置磁体系统方面给予的指导和提供的 众多帮助。 感谢等离子体所的陈文革博士、崔益民博士，力学系的陈海波老师、汪小华 博士以及孟庆良、王宇、夏勇、李沛等同学的热情帮助和有益的讨论，特别感谢 陈文革博士和崔益民博士在技术资料、实验试件制备等方面对作者无私的帮助和 支持。 在此，我也衷心的感谢家人给予的生活上的关怀和精神上的支持，感谢妻子 袁卿华在作者读博期间做出的巨大牺牲。 最后，向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友们再一次表示深深的谢意 我的每一点进步，都倾注着他们的心血、汗水和期望 第一章绪论 人类发展对能源的需求与地球上有限的传统化石能源之间的矛盾，促使着 科学家致力于寻求新的能源，经过近一个世纪对核聚变反应的研究，使人类看到 了解决能源问题的新希望：利用海水中丰富的氘资源进行核聚变反应释放出巨大 的聚变能，为人类提供“取之不尽，用之不竭的清洁能源。为了早日实现这个愿 望，世界各国都在大力开展可控热核磁约束聚变的研究。经过5 0 多年对各种磁 约束聚变实验装置的研究，大量的物理实验表明，托卡马克环形装置是最富有成 效和最有希望的。现在世界范围内的磁约束聚变实验装置研究都基本集中到了托 卡马克装置的研究，并已经从常规托卡马克研究转到了超导托卡马克装置的研 究。国内当前也在大力开展磁约束聚变的研究，为了能够在聚变研究领域进入世 界前沿，国家已经批准立项了作为重大科学工程的h t - 7 u 超导托卡马克装置项 目。 本章首先对核聚变研究做了一个回顾，介绍了世界核聚变研究的历史和现 状，然后简单介绍了托卡马克装置的原理和基本组成和我国的热核聚变研究现状 以及建立h t - 7 u 超导托卡马克装置的战略意义，最后介绍了已经开展的工作和 本文研究的内容和意义。 1 1 核聚变研究的历史和现状 1 1 1 核聚变研究的历史 l 3 j 1 9 1 9 年科学家阿斯顿( e w a s t o n ) 发现了核聚变反应可以释放出能量，在 这些思想的启发下，天体物理学家们便提出了设想：太阳这样的恒星其能量来源 于某种原子核的聚变反应，并进一步地预言这种核反应可以用来造福人类。1 9 2 9 年阿特金森( a t k i n s o n ) 和奥特麦斯( h o u t e m a n s ) 从理论上计算了氢原子在几 千万度高温下聚变成氮的可能性，同时认为太阳上进行的反应可能就是氢核( 质 子) 之间的聚合反应。1 9 3 4 年奥立芬特( o l i p h a n t ) 发现了第一个d - d 核聚变反 应。1 9 4 2 年由施莱伯( s c h r e i b e r ) 与金( k i n g ) 在美国普渡大学第一次实现了 第一章绪论 d - t 核聚变反应。这些都为可控热核磁约束聚变的研究和发展提供了坚实的理论 基础。二十世纪四十年代后期美国成功地实现了氘氚核聚变一氢弹爆炸，但那种 不可控制的瞬间能量释放只会给人类带来灾难，人类需要的是实现受控核聚变， 以解决能源危机。 实现可控热核聚变反应必须具备一定的条件。首先，必须把参与聚变反应 的粒子加热到五千万度到五亿度的高温，使它们具有足够的动能来发生热核聚变 反应：其次，必须满足能量输出条件，即劳逊( l a w s o n ) 判据( 即对d d 反应： n r 1 0 ”c m s 而对d t 反应：n f 1 0 “c m 一s ) 。实现可控热核聚变的第一 步是要使燃料处于等离子体态，也即进入物质第四态。等离子体是一种充分电离 的、整体呈电中性的气体。在等离子体中，由于高温，电子已获得足够的能量摆 脱原子核的束缚，原子核完全裸露，为核子的碰撞准备了条件。当等离子体的温 度达到几千万度甚至几亿度时，原子核就可以克服斥力聚合在一起，如果同时还 有足够的密度和足够长的热能约束时间，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。 等离子体的温度、密度和热能约束时间三者乘积称为“聚变三重积”，当它达到 1 0 2 2 k e v m 一s 时，聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率， 必须超过这一基本值，聚变反应才能自持进行。由于三重积的苛刻要求，可控核 聚变的实现极其艰难。 四十多年来，世界各国都在致力于聚变能的开发与利用。可控核聚变的研 究经历了艰苦曲折的历程，这个历程可分为四个阶段：第一阶段：从开始到五 十年代初，发明了各种类型的聚变装置，如仿星器、箍缩装置以及磁镜装置等； 第二阶段：主要是五十年代中期，由于对困难估计不足，认为在短期内便有可 能建成核聚变反应堆，同时也认识到其具有潜在的军事用途，世界各国尤其是 美苏两国都在极其保密的情况下激烈的竞争；第三阶段：从五十年代末到六十 年代末，世界各国都认识到要实现可控聚变困难很大。必须开展国际间的交流 与合作，由此开始解密并将重点转移到高温等离子体基本性能的研究；第四阶 段：从六十年代末至今，在世界范围内继续进行多用途的探索的同时，出现了 托卡马克( t o k a m a k ) 的研究。 整二兰筻坠 1 1 2 核聚变研究现状【l - 5 】 经过5 0 多年在上百个实验装置上的实验研究，已经将托卡马克的聚变三重 积提高到了得失相当区域，图1 1 为世界上托卡马克聚变三重积的研究过程。近 年来用中性柬注入加热和离子回旋频段 的微波加热已在一些大型的托卡马克实 验装置中将氘和氢等离子体的离子温度 加热到2 0 - - 4 0 k e y 范围，最高的是在日本 的j t - 6 0 u 装置上，离子温度达到4 5 k e v ， 这比氘氚聚变堆堆芯等离子体所要求的 较理想的燃烧温度，即2 0 k e y 左右，商 出一倍多。1 9 9 7 年1 0 月，由欧共体最大 的托卡马克装置“欧洲联合环，即j e t 装置 图i i 托卡马克聚变三重积研究 上进行了几次氘氚粒子密度为1 ：1 的实验中，聚变输出功率已达1 6 m w ，而聚 变性能因子( 即聚变输出功率与为加热等离子体丽输入的功率比) 已达0 6 以上。 这个结果超过了1 9 9 6 年在美国普林斯顿大学的国家等离子体实验室的一个大 型托卡马克装置上达到的聚变输出功率1 0 m w 和聚变性能因子为0 2 8 的记录。 这些实验基本上证实了在托卡马克装置上实现基于氘氚燃料的磁约束聚变反应 的科学可行性。 超导托卡马克装置是近些年才引起聚变界的普遍重视，认为在托卡马克装 置上使用超导磁体是合理利用聚变能的必由之路。因为一个聚变电站如果使用 常规导体，为了达到热核反应堆的劳逊条件和点火条件，经估算该电站生产的 全部能量基本只能维持自身磁力系统的电流消耗。为了能够利用核聚变反应发 电，就必须使用在理论上没有能耗的超导磁体。另外采用超导磁体也更易于实 现装置的稳态运行，以便产生稳态、高约束的高温等离子体。随着研究的深入， 托卡马克的研究重点已经从常规托卡马克转变为超导托卡马克。 现在世界上已经建成并投入运行的超导托卡马克有四台，它们分别是俄罗 斯的t - 1 5 ( 1 9 9 3 年) 、法国的t o r e s u p r a ( 1 9 8 8 年) 、中国的h t - 7 ( 1 9 9 4 年) 和日本t r i a m 1 m ( 1 9 8 6 年) 。为了对托卡马克聚变堆进行更深入的研究，目 前正在建造和计划建造的更先进的超导托卡马克有韩国的k s t a r 、中国的 笙二主堑堡 h t 0 7 u 、印度的s s t - 1 、日本的j t - 6 0 s u 以及国际聚变实验堆i t e r ( j n 把朔a 矗o n a l t h e r m o n u c l e a re x p e r i m e n t a lr e a c t o r ) 。表1 1 和表1 2 分别列出了已经建造和计 划建造的超导托卡马克装置的一些主要参数。 表i i 世界上已经建成的超导托卡马克装置 装置名称t r i a m 1 m t o r e s u p r a t - 1 5 h 7 国家日本 法国 俄罗斯中国 等离子体大半径r o ( m ) 0 82 2 5 24 3 1 2 2 等离子体小半径a ( m ) 0 1 2 ，0 1 80 7 0 7 0 3 环径比r o a 6 7 3 23 5 4 1 拉长比k1 51 0 1 01 0 纵场中心场强b t ( t ) 84 5 3 5 52 5 3 等离子体电流i 。( m a ) 0 51 7 1 4 2 30 4 脉冲氏度t d ( s e e ) 2 0 0 03 0 1 2 0 5 - 2 61 5 截面形状d 型圆形圆形 圆形 建成日期 1 9 8 6 年 1 9 8 8 年1 9 9 3 矩1 9 9 4 焦 表1 2 世界上计划建造的托卡马克装置 装置名称 h t - 7 uk s t a rs s t - 1j s 6 0 s ui t e r 国家 中国韩国印度日本 国际合作 等离子体大半径凡( i n ) 1 7 1 8 1 1 64 8 5 26 2 等离子体小半径f l ( m ) o 40 50 2 9l _ 3 1 52 0 环径比r 以 4 2 5 3 6 43 62 2 7 拉长比k 1 6 2 01 7 2 01 7 1 91 6 1 81 7 纵场中心场强b t ( t ) 3 53 53 o6 2 55 3 等离子体电流i 。( m a ) 1 02 00 2 2l o1 5 脉冲长度t d ( s e e ) 1 1 0 0 02 0 - 3 0 01 0 0 01 0 0 0 - 3 6 0 0 4 0 0 s 截面形状 d 型d 型d 型d 型d 型 i t e r 将是由美、日、欧洲、俄罗斯及中国联合建造的超大磁约束聚变实验 堆，其目标是在物理上对长脉冲氘氚自持燃烧进行实验研究，在工程上对实验反 应堆相关技术进行探索，它与未来真正发电的反应堆具有相同的装置参数，是在 苎= 茎箜 堕 确定示范反应堆( d e m o ) 前的最后一个研究阶段，现在它的工程设计阶段基本 完成，如果不因选址问题和受国际政治、经济影响，i t e r 将在2 0 1 0 年左右建成 ( 图1 2 为在建的i t e r 聚变实验堆) 。人类有望在2 0 5 0 年前后实际使用聚变能 ( 图1 3 ) 。 图1 2 国际热核聚变实验堆1 t e r 图1 3 人类对聚变能的展望图 1 2 托卡马克装置的原理 1 。2 】 可控热核聚变的研究实际上是研究如何在一定的容器中产生和控制高温等 离子体，并使聚变反应平稳持续进行，磁约束聚变的关键是如何产生一个特定的 磁场位形来有效的约束等离子体( 长期而稳定的约束) 。等离子体是自由带电粒 子，在均匀磁场中将做回旋转动和沿磁力线的自由运动。因此均匀磁场无法约束 等离子体；简单的环形磁场会造成等离子体的整体漂移，也无法对等离子体进行 有效约束；如果由直线电流和环向电流( 也称为纵场电流) 共同产生合成的磁场， 则磁力线绕环向电流转动，当绕大环一周后磁力线并不回原点，这样磁力线经过 无限转动就形成一个环形磁面，在这种磁场位形下。带电粒子将在闭合的轨道上 运动，极化漂移电场将被沿磁力线流动的电流补偿，因此这种位形能较好的长期 约束等离子体，这种位形就是托卡马克位形的原型。图1 4 为这种磁约束位形的 示意图。 等离 纵 成型螺旋场b 图1 4 托譬马克磁约束位形示意图理图 这种托卡马克位形中关键的参数主要为纵场中心场强b t 、等离子体大环半 径r o 、等离子体小环半径a 和等离子体电流i d 。 等离子体稳定约束对磁场的要求可以用下面式子来表示： = 挚 ， 式中卢称为等离子体的比压值，p 为等离子体的压强，b 为外加磁场与等离 子体自身电流产生的磁场之和。 等离子体比压值在确定等离子体宏观平衡和磁流体稳定性上起决定作用，它 也是等离子体反常输运现象有关机制中的关键参数，它和等离子体电流、等离子 体的环径比a 、拉长比k 、三角形变度、等离子体横截面形状等有关。 托卡马克是一种磁约束位形，这个名词是最早从事这方面研究的原苏联科学 家根据装置的主要工程特点，提取俄文的电流、真空室和磁场等词组的字头来命 名而产生的一个特殊名词。托卡马克亦称环流电流器，一般指环形等离子体柱的 小半径比环的大半径小几倍，同时电流产生的极向场磁场比纵场磁场小一个量级 的位形，它主要是以环形轴对称等离子体为研究对象的，进行准稳态( 长脉冲) 的聚变研究。它是由苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿尔齐莫维奇等首先提出来 的，它的思想是由外部绕组产生纵场磁场，由极向场线圈组成的放电系统在真空 室内感应产生的环向电流产生极向磁场，两个磁场结合形成具有旋转变换的磁场 位形来约束等离子体。同时为了抵消载流的环形等离子体柱向外扩张的扩张力， 一 苎二兰堕笙 由外部导体产生一个与等离子体柱主轴方向垂直的平衡磁场来维持等离子体柱 的宏观平衡态。图1 5 为托卡马克的原理图。 图1 5 托卡马克原理图 托卡马克装置本体一般由环形真空室、纵场磁体系统、极向场磁体系统、等 离子体诊断系统、反馈控制系统、供气及送料系统、机械支撑系统等部件构成。 纵场磁体系统一般由1 2 、1 6 、2 4 等纵场组件沿环向均匀分部来产生一个近似轴 对称的环形强磁场；极向场磁体系统包括变压器线圈、加热成型场线圈、平衡场 线圈和偏滤器线圈等部件，产生可调的极向场磁场来进行等离子体的成型和控 制。 托卡马克是一种环形强磁场装置，其特殊的构造而产生的磁场位形可以使等 离子体得到长期而稳定的约束，通过三十多年在几十个托卡马克装置上的实验研 究，科学家们认为用这种位形来实现聚变能的输出是可行的。 1 3 h t - 7 u 超导托卡马克装置的战略意义。9 1 经过2 0 多年的努力，我国在中科院物理所、中科院等离子体所、西南物理 研究院和中国科学技术大学等建成了一批小型常规托卡马克实验装置，如：c t - 6 、 h t - 6 b 、h l 一1 、h t - 6 m 、k t - 5 等，并开展了一系列的物理实验研究并取得了重 要的结果，使中国聚变研究在国际上的影响稳步增长。1 9 9 4 年通过国际合作和 国家的大力支持，中国科学院等离子体所将原苏联库尔恰托夫研究所的t - 7 装置 第一章绪论 成功的改建成可以进行实验研究的超导托卡马克装置h t - 7 ，使我国成为了法、 日、俄之后第四个拥有超导磁体托卡马克装置的国家。1 9 9 5 年h t - 7 装置第一次 放电成功，经过几年的运行和实验，取得了等离子体电流达到2 2 0 - - 2 5 0 k a 、长 脉冲时间达l o 7 1 秒等一系列重大成果，为我国核聚变研究走向世界打下了坚实 的基础，同时也积累了大量宝贵的经验。 由于h t - 7 装置是圆截面等离子体位形，极向场系统仍然采用常规线圈，这 些局限性造成了h t - 7 无法开展先进的托卡马克稳态模式运行研究。为了使我国 核聚变研究能够进入世界前沿，必须建造一个能够对聚变研究领域的重大前沿课 题进行研究的装置h t - 7 u 。 h t - 7 u 装置将具有非圆截面等离子体位形和全超导磁体的先进的托卡马克 装置，在h t _ 7 u 装置上将可以开展托卡马克稳态运行及改善等离子体约束等前 沿性课题的研究，探索适合的先进聚变反应堆的运行模式。我国如果能在2 0 0 5 年左右建成h t - 7 u 装置及其附属系统，将成为世界上少数几个拥有大型非圆截 面超导托卡马克装置的国家，将能使我国以有力的地位加入国际核聚变研究领域 的竞争与合作，使我国核聚变研究进入世界前沿。 h t _ 7 u 装置的建设使我国开发聚变能的一个重要战略步骤。 1 4 h t - 7 u 磁体系统已经开展的分析工作简介 对h t - 7 u 装置磁体系统的结构分析已经做了大量的工作，取得了很大的成 果，为h t - 7 u 装置磁体系统的结构设计提供了大量宝贵的参考依据。对h t - 7 u 装置磁体系统的结构分析可分为两个部分：纵场磁体系统的结构分析和极向场磁 体系统的结构分析。下面就对这两部分工作做个简要介绍，具体的内容见文献 1 0 1 8 , 4 2 ，5 7 】。 1 4 1 纵场磁体系统已开展的工作 对纵场磁体系统的结构已经采用m s c n a s t r a n 通用软件和美国s r a c 公 司开发的面向微型计算机的c o s m o s m2 0 软件进行了分析。这些分析工作建 立了两种分析模型：一种模型用板弯元模拟线圈盒体，用剪切板元模拟绝缘层， 篁二兰堑笙 用杆元模拟绝缘层的法向拉压，用梁元模拟超导c i c c 导体，底部支座用等效梁 模拟，绝缘层同盒体完全粘结，边界条件给定为线圈盒体直线段楔型面环向位移 为0 ，支座底部完全固支( 模型1 ) ：另一种模型把超导线圈等效为各向同性材料， 超导线圈也和盒体完全粘结，采用盒体直线段楔型面的环向和轴向位移为0 的边 界约束条件，模型中未考虑支座底部支撑( 模型2 ) 。 模型1 分析得到的结果为：纵场磁体系统受电动力载荷和重力载荷作用 下，盒体最大应力为5 6 5 m p a ，发生在直线段和第一弧线段交接处；导体受到最 大v o nm i s e s 应力为l 2 2 m p a ；对地绝缘层受到最大拉压应力为6 7 5 m p a ，最大 剪应力为9 3 5 m p a ：匝间及层间绝缘层最大拉压应力8 4 m p a ，最大剪应力 1 1 3 m p a ；整个磁体系统最大位移为3 2 6 m m ，发生在直线段中部。 模型2 分析得到的结果如表1 1 所示。 表1 3 纵场系统的最大冯米塞斯应力及其出现的位置 纵场线圈盒绕组 载荷 3 5 ( t e s l a )3 5 ( 1 b s l a ) 最大v o n m i s e s 应力( m p a )摄大v o n m i s e s 应力( m p a ) 末考虑重力面内+ 面 3 4 9 52 2 0 6 的作用外电动力 考虑重力的面内+ 面 3 5 2 32 2 2 2 作用外电动力 注：纵场线圈盒与绕组上的最大 c o n m i s e s 应力都出现在第一弧度的中部 1 4 2 极向场磁体系统已开展的工作 对极向场的结构分析可分为中心螺管和外部大线圈两种结构分别进行分 析。对极向场磁体系统同样建立了一些不同的模型，采用m s c n a s t r a n 通用 软件和c o s m o s m2 0 软件开展了相应的电动力载荷作用下的结构分析，主要 包括： 1 、采用杆、板、梁单元对中心螺管和外部大线圈不同材料组分进行模拟。分 析结果为：外部大线圈受到的最大v o nm i s e s 应力为1 6 m p a ，最大径向位 移为0 3 m m ：中心螺管受电动力载荷作用下最大应力为5 5 3 m p a ，最大径 向位移为1 1 8 m m 。 2 、把超导线圈和绝缘层都等效为各向同性材料进行建模。计算结果为：中心 翌二兰堡笙 螺管受到的最大v o n m i s e s 应力为7 0 m p a ，最大径向位移为o 4 2 m m ；大线 圈上最大v o nm i s e s 应力为2 3 4 6 9 m p a ( 在p f 9 上) ，最大径向位移为 o 7 9 8 l m m ( 在p f 9 上) 。 1 4 3h t - 7 u 磁体系统结构有待进一步完善的分析内容 虽然当前已经开展的磁体系统结构力学分析取得了一定的成果，但随着工 程的进展也有待于进步的完善。为了能够更加准确的对装置磁体系统进行分析 和为装置的改进提供依据，有必要在以下几个方面开展更加深入的分析： 、纵场磁体系统结构分析需要进一步完善的内容： l 、分析模型中电动力载荷更加准确的施加。由于已开展工作中电磁分析和 结构分析采用了不同的软件，因此电动力载荷在结构分析时进行了分段 等效处理，这样就造成了载荷施加的不够准确；同时这种分段均匀施加 的载荷忽略了电动力载荷在结构上的不均匀分布对结构的影响。 2 、对超导线圈的等效材料参数进行更加准确的分析。已有的分析工作都把 超导线圈等效为各向同性材料，采用复合材料混合率计算其等效材料参 数，并且把c i c c 导体内的超导缆也完全计算在内。实际上超导线圈是 一个各向异性的结构，并且c i c c 导体铠甲内部的超导缆是一个松散结 构，因此采用这种等效方法计算得到的材料参数是不够准确的。 3 、建立更加完善的分析模型。已有的分析模型1 虽然对纵场磁体系统内各 个组成部分进行了详细的分类，较为真实的考虑了各组分的应力状态， 使用各种单元进行模拟，但模型中用各种单元对结构进行离散处理，特 别是盒体采用变厚度板单元模拟，厚度考虑成阶梯变化( 实际结构是光 滑过渡的) ，这样就造成计算结果偏于保守，算出的盒体应力偏大：分 析模型2 中未考虑各支撑结构对纵场磁体系统的影响，也不符合装置的 实际结构。 4 、分析模型中边界约束条件更加合理的给定。已经开展的纵场磁体系统分 析都采用在直线段楔型面上环向位移为0 的边界约束条件，实际上在面 外电动力作用下直线段也发生了扭转。 塑二垩堡笙 5 、考虑超导线圈与盒体接触面摩擦对结构的影响。已开展的分析工作中都 未考虑这些界面的摩擦影响，把超导线圈同盒体完全粘结，实际结构中 超导线圈和盒体间并未粘结，而只是面面接触。 二、极向场磁体系统结构分析需要进一步完善的内容： 极向场磁体系统力学分析需要进一步完善的内容主要是更加准确的材料参 数的分析和电动力载荷更加准确的施加( 原因同纵场磁体系统中的l 、2 点) 。 1 5 本文研究的主要内容、意义和预期目标 超导托卡马克装置是一个耗资巨大的大型科学工程，为了避免不必要的失误 和节省经费，在建造前的设计阶段对其进行一系列的仿真计算和相关构件的性能 测试是十分必要的。超导托卡马克研究涉及到力学、电磁学、低温工程、核聚变 物理、机械制造等多个基础学科，国内首次设计和制造大型的非圆截面超导托卡 马克装置，因此各项工作都是开创性的，具有重大的工程意义和创新性。 本课题基于h t - 7 u 装置的重大科学意义，开展h t - 7 u 超导托卡马克装置主 机的核心部件一磁体系统在电动力载荷下的结构力学分析，这是一个工程应用课 题，主要目的是为了完善前期工作，对h t - 7 u 装置磁体系统的结构开展更加深 入的研究，通过更加合理和准确的分析为h t - 7 u 的工程设计和建设提供参考依 据。 本文的研究内容主要包括以下两个方面： 一、磁体系统的电动力载荷分析和超导线圈等效力学性能的数值分析 1 、对磁体系统( 包括纵场和极向场磁体系统) 开展整体的电磁分析，得到 磁场分布情况，同已有的分析结果进行相互验证：分析得到磁体系统详 细的电动力载荷分布情况，包括纵场磁体系统的面内和面外电动力以及 极向场磁体系统在各种位形和各放电时刻的电动力载荷。这部分工作主 要是为结构分析提供准确的载荷。 2 、对磁体系统超导线圈模型进行相关力学性能实验测试，在具备的实验条 一 笙二童堡笙 件下进行荜匝导体的拉 牵稻压缩安验研究。同辩稠阉有鬣元技术，歼震 多匝导体的实验仿真模拟，得到超导线圈随导体腻数增加力学性能的变 化规律。这部分工作主要筵为了解决超导线圈能够等效为各向异经材料 豹麓提条传。 3 、把超导线圈进行简化处理，等效为各向异性材料，利用均匀化方法预报 糖瘟魏等效力学参数。这灏分工黪主要是必了褥嬲更麴壤壤豹超撂线圈 的等效力学参数，为磁体系统的结构分析提供可靠的材料参数。 二、磁体系统静缡褥力学分耩 4 、刹用已经得到的电动力载荷分析结果和等效力学参数，建立相应的三维 模型进行磁体系统的结构力学分桥，获褥磁体系统在电动力载蓠下的应 力秘位移分布( 龟括纵场和极向场磁体系统) 。 5 、作为三维模型的补充，撤据真实结构建立纵场磁体系统截面的二维模 黧，漤续分辑缴场磁嚣系统内部黥应力分毒情况，特别怒绝缘层的应力 分布情况，以期对纵场磁体系统舆实结构内部的成力分布情况有一个全 瓣静了熬。 6 、分析超导线圈同盒体问的接触面摩擦对结构的影响并网完全粘结模型 计算绪莱院较，对结果避行分衔。 第二章h t - 7 u 超导托卡马克装置简介 第二章h t - 7 u 超导托卡马克装置简介 h t - 7 u 超导托卡马克装置是国家“九五”重大科学工程。预期花2 亿多经 费，2 0 0 5 年前后在中国科学院等离子体物理研究所内，建成一个以非圆截面大 型超导托卡马克装置为核心的磁约束聚变实验系统和大型现代化的聚变科学研 究基地，使我国的磁约束聚变研究进入世界前沿。 为了使读者能够从整体上对h t - 7 u 装置有所了解，便于理解本文以后各章 内容，本章简要的介绍了h t - 7 u 装置的物理目标、工程参数以及各部件结构， 重点介绍了本文研究的超导磁体系统的结构。 2 。l h t - 7 u 超导托卡马克装置的物理目标及基本参数 h t - 7 u 超导托卡马克装置不是一个聚变反应堆，它的物理目标是针对目前建 造托卡马克聚变堆存在的前沿性物理问题，进行探索性的实验研究，为未来稳态、 安全、高效的先进商业聚变堆提供物理和工程技术支持【钟1 。 h t _ 7 u 装置的主要工程参数见表2 1 。 表2 1h t _ 7 u 超导托卡马克核聚变装置的主要工程参数 6 1 大半径( ) 1 7 m 小半径( a ) 0 4 m 纵场强度( b 。) 3 5 t 拉长比( k ，) 1 6 2 三角形变( j 、) 0 4 0 8 双零偏滤器 等离子体的位形单零偏滤器 抽气限制器 离子回旋波 3 3 5 m w 低杂波 3 - 3 5 m w 电子回旋波 0 5 m w 等离子体的电流( 1 。) 1 t 5 m a 脉冲长度 1 s - 1 0 0 0 s 第二章h t - 7 u 超导托卡马克装置简介 2 2h t - 7 u 超导托卡马克装置主要部件的结构简介【2 0 剖】 h t 7 u 装置的物理目标和工程参数决定了h t - 7 u 具备以下几个特点【6 9 】： 1 、为实现长脉冲及稳态运行，h t - 7 u 装置的磁体系统( 极向场和纵场) 全部采 用超导磁体； 2 、为实现较大的拉长比和三角形变开展各种高约束模式的实验研究，h t - 7 u 装 置具有非圆截面的超导纵场磁体和真空室，极向场的设计将能满足大拉长和 较大三角形变的要求； 3 、为保证装置正常运行，有效降低装置的热负荷，各个不同温区的部件分层设 置，独立支撑： 4 、为深入开展极长脉冲和稳态条件下的先进运行模式研究，h t - 7 u 装置真空室 内设置有偏滤器、限制器、被动补偿板、快速反馈线圈等内部部件。 h t - 7 u 装置主机的总体结构如图2 1 所示，主要有超导磁体系统( 极向场和 纵场磁体系统) 、真空室及内部部件、冷屏、外真空杜瓦等五大部分【2 0 1 。下面就 同本文有关的磁体系统做一个详细的介绍。 图2 ，1h t - 7 u 装置主机总体结构图 一 蔓三童旦! ! 里塑量堑墨塞鍪篓堕坌 2 2 1 极向场磁体系统( p o l o i d a lf i e l d 简称p f ) h t - 7 u 极向场的作用是提供等离子体的加热和平衡。h t - 7 u 装置的极向场系 统由上下对称分布的中心螺管和其余四对大线圈组成( 见图2 2 ) ，采用全超导设 计方案。h t - 7 u 装置的极向场采用t d n 热、成型和平衡一体化的设计方案，以等 离子体大拉长双零位形为基础，通过改变各线圈电流的大小和方向也可进行单零 运行。极向场可以提供约9 3 v - s 的伏秒数，产生并控制i m a 的等离子体电流， 其最大磁场变化为d b d t 7 t s ，最大匝电流，1 4 5 k a ，最高场强b 旷。 z = 8 1 0 r a m )z = 8 5 0 r a m ) l 中心场强b t 下) 3 5 2 23 50 0 2 2 f 6 0 3 0 0 ，0 ) ( ) 2 6 62 0 30 6 3 6 0 7 0 0 ，o ，( 钧 o 2 3o 0 5o 。1 8 8 ( 2 1 0 0 0 1 ( ) 0 4 3 l 8 ( 2 5 0 0 、o ) ( ) 4 6 l4 5 50 0 6 a n s y s 软件和e f f i 软件计算的纵场磁场强度等值线分布图( 极向场电流为 0 辩劐，t = 1 6 。7 2 s ) 分裂如图3 。7 鞠图3 8 t l l l 所示。 图3 , 7纵场激体系统滋场分布 等值线分布圈( a n s y s ) 鹜3 8缀硒磁体系统磁场分布 等值线分布图( e f f i ) 通过表3 6 的比较，本文计算得到的最大磁场强度和e f f i 软件麴计算缩聚 镌合懿较菇，诗算褥到的环囱波纹度比e f f i 软传计算结果略大，这主要是由于 本文对磁体系统进行熬体分析，无法对网格进行更细的划分有关；从图3 7 和3 8 的篦较说翳两嚣诗冀褥翻豹磁场分蠢绥会戆较好。总钵来说嚣畿诗算结果还是吻 合的较好的，本文对h t - 7 u 装置磁体系统的磁场分析结果是准确的。 通过本文和e f f t 软俸 千舞缩鬃酌相互验诞，氇谈鹅当茕瀚磁落系统设谤达 到了磁体系统必须在环向磁场中心处( r = 1 7 0 0 m m ) 产生3 5 t 的磁场强度和程 中心平面r = 1 3 0 0 m m 麓2 1 0 0 m m 处波纹n d , ：pl 、谯r = 2 5 0 0 r a r a 鲶波纹度，l 、 一鹳一 于5 的物理实验要求。 3 3 2 磁体系统超导线圈场强分