（机械电子工程专业论文）iter水平诊断窗口电磁分析及结构优化.pdf

l 弋 合肥工业大学 1 1 1 11 1i i11111 1 1 1i i iiiil y 18 8 6 3 0 5 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 委员： 脚创虹蜮学 哪偈创旺业大学 钵t 吻 导师： 教授 教授 教授 中国通用机械设计研究院高级工程师 合肥工业大学副教授 准谰 川烨 潍一 厶口 南主 、 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 佥筵王些太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 和| 年| 避伽日 学位论文作者签名： 吴遵茛 学位论文版权使用授权书 签字日期： 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权- j 釜壁哒堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 关净农 天夸父 签字日期：乒吖年中月幼日 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期：乒，年乒啁易、o 电话： 邮编： llr 。 i t e r 水平诊断窗口电磁分析及结构优化 摘要 发展核聚变反应能是解决能源问题的必由之路，i t e r 计划是热核聚变从实 验走向应用的罩程碑。 本文源于国家9 7 3 计划i t e r 诊断窗口插件预研研究。i t e r 水平诊断窗口 是用来安装诊断设备的重要装置，装置的安全性和可靠性关系到整个i t e r 装 置能否正常运行，同时对测量数据准确性有一定的影响。本文以1 2 号水平诊断 窗口为研究对象，开展了结构设计、工程分析及机械预研工作。这些为诊断窗 口生产制造提供具有参考价值的分析数据，同时积累相关加工制造技术。 通过阅读国内外文献和资料，确定i t e r 计划的目标和1 2 号诊断窗口的设 计功能、安全评定标准、载荷分类和加工制造工艺要求。参照i o 组织提供的 概念模型( 2 0 0 9 年) ，利用c a t i a 软件建立模型，并对每一部件的功能及具体 尺寸作了详细的说明。根据结构设计特点和安装要求，开展了电子束焊接和深 孔钻预研，掌握国内外在该领域发展情况，为未来的制造加工提供技术支持。 探究等离子体物理特性及其运行特点，对等离子破裂和等离子体垂直位移 事件作了详细的介绍。根据电磁理论，理论计算电涡流的分布特点并进行软件 仿真模拟。探究诊断窗口感应电流分布特点及电磁载荷产生机理。 利用a n s y s 软件模拟不同电磁学现象，确定诊断窗口磁场强度、感应电 流和电磁载荷分布特点。就每一种电磁现象，获取诊断窗口总体载荷分布和变 化趋势并确定危险时刻及危险部位。对比不同电磁现象的电磁载荷，确定具有 较大破坏力的电磁现象。 将电磁分析结果耦合到结构模型进行结构分析，获取该载荷作用下应力和 应变分布。根据评估准则，确定结构设计是否满足材料许用应力应变和i t e r 要求。指出不合理的结构设计，提出改进意见并建立优化设计模型，在满足结 构要求情况下兼顾安装维护，对不同组合载荷进行有限元分析并对比结果，评 估改进结构的合理性。 关键词：i t e r 诊断窗口；等离子体；电磁载荷；结构优化；预研 h ( e l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no f i t e rh o r i z o n t a ld i a g n o s t i cp o r tp l u g o n l y t h e e n e r g y i t e r a p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n t p l a nw i l lb e a b s t r a c t o ff u s i o nr e a c t i o nc a ns o l v et h e p r o b l e m o f am i l e s t o n e 蛹a fe n a b l ef u s i o nf r o me x p e r i m e n tt o t h i sp a g ef r o mn a t i o n a l9 7 3p r o j e c t ：t h ep r e - r e s e a r c ho fi t e rd i a g n o s i sp o r t p l u g t h ed i a g n o s i sp o r tp l u gi s a ni m p o r t a n td e v i c eu s e dt oi n s t a l ld i a g n o s t i c e q u i p m e n t i t ss a f e t ya n dr e l i a b i l i t yi nr e l a t i o nt ot h ei t e rp l a n to p e r a t i o n ，a n di n r e l a t i o nt ot h er e l i a b i l i t yo fm e a s u r e m e n td a t a b a s e do nt h e12e q u a t o r i a ld i a g n o s i s p o r tp l u gf o rr e s e a r c ho b j e c t ，l a u n c h e ds t r u c t u r ed e s i g n ，e n g i n e e r i n ga n a l y s i sa n d m e c h a n i c a lp r e r e s e a r c hw o r k ，w h i c hp r o v i d e dv a l u ed a t af o rd i a g n o s t i cp o r tp l u g b u i l da n da c c u m u l a t i n ge x p e r i e n c ea b o u tp r o c e s s i n ga n dm a n u f a c t u r i n g t h r o u g hr e a d i n gl i t e r a t u r ea n di n f o r m a t i o nh o m ea n da b r o a d ，u n d e r s t a n d i n g t h ei t e rp l a na n d12d i a g n o s t i cp o r tp l u gd e s i g nf u n c t i o n ，s a f e t ye v a l u a t i o n s t a n d a r d ，l o a dc l a s s i f i c a t i o na n dp r o c e s s i n gm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sr e q u i r e m e n t s t h em o d e lp r o v i d e sr e f e r e n c ei oo r g a n i z a t i o n ( 2 0 0 9 ) ，u s i n gc a t i as o f t w a r eb u i l d m o d e l ，a n dt h ef u n c t i o no fe a c hc o m p o n e n ta n ds p e c i f i c s i z em a k e sad e t a i l e d e x p l a n a t i o n a c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r a ld e s i g nf e a t u r e sa n di n s t a l l a t i o n r e q u i r e m e n t s i nt h ee l e c t r o nb e a mw e l d i n ga n dd e e ph o l ed r i l l i n g ，g r a s pt h e d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hi n t h i sf i e l df o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to ft h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s ，p r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r t e x p l o r ep l a s m ap h y s i c sp r o p e r t i e s a n di t so p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，p l a s m a r u p t u r ea n dp l a s m av e r t i c a ld i s p l a c e m e n te v e n ti sa n a l y z e di nd e t a i l a c c o r d i n gt h e e l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , c a l c u l a t et h ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fe d d yc u r r e n t a n ds i m u l a t ew i t hs o f t w a r e e x p l o r ei n d u c t i v ec u r r e n td i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n de l e c t r o m a g n e t i cl o a d so fg e n e r a t i n gm e c h a n i s mo ft h ed i a g n o s i sp o r tp l u g u s i n ga n s y ss o f t w a r et os i m u l a t ed i f f e r e n te l e c t r o m a g n e t i s mp h e n o m e n o n ， c o n f i r mt h ed i a g n o s i sp o r tp l u gm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y , t h ee l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o nc u r r e n ta n d1 0 a dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s f o r e v e r y k i n d o f e l e c t r o m a g n e t i cp h e n o m e n a ，a c q u i r i n gd i a g n o s i sp o r tp l u gl o a d d i s t r i b u t i o na n d o v e r a l lt r e n d sa n di d e n t i f yd a n g e rt i m ea n dd a n g e r o u sa r e a c o m p a r i n gt h e d i f f e r e n te l e c t r o m a g n e t i cp h e n o m e n a ，d e t e r m i n et h ee l e c t r o m a g n e t i cp h e n o m e n a w i t hl a r g e rd a m a g e t h ee l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i sa st h er e s u l to fa n a l y s i so fc o u p l e dl o a d s ， - 入 k ： 一 致谢 值此论文完成之际，众多老师、同学、朋友和亲人对我的指导、关心和支 持使我永生难忘! 首先衷心感谢我的导师一曹文钢副教授。在攻读硕士学位期间，曹老师给予 我亲切关怀和悉心培养。导师严谨求实的治学精神，博大精深的学术造诣，甘 为人梯的学者风范和虚怀若谷的长者胸襟，使我耳濡目染，终生受益。在以后 的人生旅途中，我将谨记导师的教诲，努力拼搏，奋勇前进，不辜负导师的期 望。 特别感谢中科院等离子体物理研究所的赵君煜研究员，宋云涛研究员，吴 维越研究员，为我论文完成提供了良好的学习环境和巨大的帮助。 衷心感谢中科院等离子体物理研究所胡庆生副研究员，许铁军博士。两位 老师合理安排课题进度，在课题研究、实验方案制定、论文撰写过程中给予的 大力指导和不懈帮助。胡老师和许老师对我的科研能力、实验能力以及解决实 际工程问题的能力的提高起了很大的指导和帮助作用。 衷心感谢合肥工业大学金传山同学，朱晓文同学，在课题进行过程中，相 互讨论，提出宝贵意见，同时在生活上给予我巨大支持和帮助。 衷心感谢合肥工业大学曲令晋、姜康、白迎春、王锐、范超、邓磊师兄， 吴家强、章亮亮、王友成、侯永康等师弟，正是因为在这三年的研究生经历中 与他们朝夕相处，关系融洽，使我在这罩度过愉快的三年。 衷心感谢中科院等离子体物理研究所的杜士俊研究员，李俊，李莉，彭学 兵，邢以翔，郝俊川，方雯，戢翔，王志彬，刘万远，杜双松，王莉，王松可， 王声铭等在课题研究和论文完成中给予的巨大帮助。 衷心感谢我在合肥工业大学三年多学习、生活中所有认识和给予过我帮助 的老师、领导、同学和朋友们。 特别要感谢我的父母和兄弟及所有亲人的大力支持和鼓励，他们的关爱和 理解是我安心学习和生活的坚强后盾。作者今天的成绩与他们辛勤的劳动和无 私奉献是密不可分的。谨以此文献给关心我的家人。 作者：吴海龙 2 0 11 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 能源现状1 1 1 1 世界能源问题1 1 1 2 中国能源现状1 1 2 热核聚变及中国热核聚变事业2 1 2 1 可控热核聚变及i t e r 计划2 1 2 2 中国核聚变事业发展及成果一5 1 3 本课题的来源及主要研究内容6 1 3 1 课题来源及选题意义一6 1 3 2 课题研究目的6 1 3 3 主要研究工作7 第二章i t e r 水平诊断窗口结构设计一8 2 1 引言8 2 2i t e r 诊断窗口8 2 2 1i t e r 诊断窗口8 2 2 2i t e r 水平诊断窗口物理环境9 2 3i t e r 水平诊断窗口结构9 2 3 1 结构设计9 2 3 23 1 6 l 不锈钢的材料属性一1 3 2 4 预研加工1 4 2 4 1 深孔和模拟流道加工1 4 2 4 2 电子束焊接16 2 5 本章小结17 第三章i t e r 诊断窗口安全标准及工艺要求1 8 3 1 引言18 3 2 载荷18 3 2 1 载荷分类1 8 3 2 2 载荷判定根据1 8 3 2 3 诊断窗口载荷1 9 3 3 应力和强度理论19 3 3 1 应力分类1 9 3 3 2 强度理论2 0 3 3 3 应力条件2 2 3 4 诊断窗口的工艺要求2 2 3 5 本章小结2 3 第四章电磁理论和电磁有限元分析方法一2 4 4 1 引言2 4 4 2 等离子体2 4 4 2 1 等离子体一2 4 4 2 2 等离子体事件2 5 4 3 电磁理论2 5 4 3 1 经典电磁公式2 5 4 3 2 涡流理论一2 6 4 3 3 理论计算2 8 4 3 4 电磁载荷31 4 4 电磁有限元分析方法3 2 4 4 1 电磁有限元分析的数学基础3 2 4 4 2 矢量法，标量法，棱边法3 3 4 5 本章小结一3 5 第五章i t e r 诊断窗口的电磁有限元分析3 6 5 1 引言3 6 5 2 模型建立和有限元分析前处理一3 6 5 2 1 建模3 6 5 2 2 有限单元划分3 8 5 2 3 边界条件4 0 5 3 载荷工况4 1 5 4 限元分析结果及对比4 4 5 5 1 静磁场强度分布一4 4 5 4 2l6 m s 指数衰减4 5 5 4 33 6 m s 线性衰减4 7 5 4 43 6 m s 垂直位移向上事件一4 9 5 4 53 6 m s 垂直位移向下事件5 0 5 6 本章小结5 2 第六章i t e r 诊断窗口结构分析和优化设计5 3 6 1 耦合分析定义5 3 6 2 耦合分析步骤5 3 6 3 分析结果一5 5 6 4 优化设计分析和合理化建议5 6 6 4 1 优化模型5 6 5 4 2 优化模型分析一5 7 第七章全文总结及课题展望6 1 7 1 全文总结一6 l 7 2 课题展望一6 2 参考文献6 3 硕士期间发表论文一6 6 插图清单 图卜li t e r 装置4 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图5 1i t e r 装置磁体系统一3 6 图5 2t f 线圈中心线尺寸一3 8 图5 3 磁体、等离子体及诊断窗口3 8 图5 4 等离子体破裂事件模型3 8 图5 5 垂直位移事件等离子体模块3 8 图5 - 6 诊断窗口有限元模型3 9 图5 7m d 事件等离子体单元4 0 图5 8v d e 事件等离子体单元4 0 图5 - 9 远场单元一4 0 图5 1 0 整模单元4 0 图5 1 1 磁体线圈电流载荷一4 2 图5 1 2 等离子体电流变化4 2 图5 1 3v d e 事件等离子体电流4 3 图5 1 4v d e 事件等离子体电流矢量变化4 4 图5 1 5 磁场强度一4 4 图5 1 6 单节点电磁力变化4 5 图5 1 7 四关键点电磁力变化4 5 图5 1 8 四节点电流密度变化4 5 图5 1 9m d l 6 m s 电磁力变化一4 5 图5 2 03 0 m s 时电磁载荷分布一4 7 图5 2 13 0 m s 涡流分布一4 7 图5 2 20 4 4 s 时电磁载荷4 7 图5 2 3o 4 4 s 涡流分布4 7 图5 2 4 四节点电磁力4 7 图5 2 5m d 3 6 m s 电磁载荷4 7 图5 2 60 0 3 6 s 电磁载荷分布4 9 图5 2 70 0 8 1s 电磁载荷分布4 9 图5 2 8v d e 向上事件电磁力变化5 0 图5 2 9v d e3 5 m s 电磁力分布5 0 图5 3 0v d e 向下事件载荷变化5 1 图5 3 1 电磁载荷分布5 1 图5 3 2 计算结果对比5l 图6 1 多物理场分析流程5 4 图6 2 结构分析模型5 4 图6 3 位移云图5 5 图6 4 应力云图5 6 图6 5 改进概念模型5 7 图6 6e p p 和d r a w e r s 5 7 图6 7e p p 改进结构5 7 图6 8 改进结构爆炸图一5 7 图6 - 9 重力载荷下应力5 8 图6 1 0 连接螺栓5 8 图6 1 1e p p 重力载荷下形变5 8 图6 1 2d r a w e r s 重力载荷下形变5 8 图6 1 3d w + m d + s l l 载荷下应力一5 8 图6 1 4d w + m d + s l l 载荷应力5 8 图6 一l5d w + m d + s l le p p 形变一5 9 图6 1 6d w + m d + s l l 载荷下d r a w e s 形变5 9 图6 17d w + m d + s l 2 下薄膜应力5 9 图6 18d w + m d + s l 2 下弯曲应力5 9 图6 19d w + m d + s l l 下e p p 变形5 9 图6 2 0d w + m d + s l 2 下d r a w e r s 变形5 9 表格清单 表卜1 各种初级燃料的蕴藏量估计一1 表卜2i t e r 计划参数目标4 表2 1 诊断插件的几何尺寸1 0 表2 23 16 l 不锈钢成分表1 3 表3 一l 各类载荷下的应力因子k ( 来自s d c i c 规程) 一1 9 表3 23 1 6 l c 级服役级别下载荷作用许用应力2 2 表3 3 各种事件及应力要求2 2 表4 1 三种方法的比较3 5 表5 1p f 及等离子体尺寸3 7 表5 2c s 线圈尺寸3 7 表5 3t f 线圈尺寸3 7 表5 4 单元类型及属性3 9 表5 5 磁体及等离子体电流4 0 表5 6 静磁场电流源4 1 表5 7v d eu p 等离子体电流大小及位置参数4 3 表5 8v d ed o w n 等离子体电流大小及位置参数4 3 表5 9 磁场强度一4 4 表5 - 1 0m d l 6 m s 电磁载荷统计表一4 6 表5 11m d 3 6 m s 电磁载荷统计表4 8 表5 1 2v d e 向上事件电磁载荷统计表5 0 表5 13v d e 向下事件电磁载荷统计表5 0 表5 1 4 各种工况结果比较。5 1 表6 - 1 最大位移对比一6 0 第一章绪论 物质、能量和信息是构成自然社会的基本要素，能源就是能量的源泉。能 源是人类活动的物质基础，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源 技术的使用【1 1 。生活质量标准直接与能量消耗成正比，高质量的生活需求由价 格合理的充足的能量消耗来保证。当今世界，能源问题是全人类共同关心的话 题【2 ，3 1 。 1 1 能源现状 1 1 1 世界能源问题 无论是发达国家还是发展中国家，g d p 的增长与能源的消耗是成正比的。 随着工业化的快速发展，人类将面临一系列的问题，其中能源问题是待解决的 问题之一。 目前，世界的能源结构主要以传统的化石燃料为主，主要包括煤炭、石油 和天然气，其中部分初级资源将在2 1 世纪上半叶迅速地接近枯竭【4 1 ，如表1 1 所示。综合估算化石能源储量，实际可支配的化石能源大约1 1 8 0 1 5 1 0 亿吨。 以1 9 9 5 年世界石油的年开采量3 3 2 亿吨计算，石油储量大约在2 0 5 0 年左右宣 告枯竭。天然气储备估计在1318 0 0 15 2 9 0 0 百万立方米，年开采量维持在2 3 0 0 百万立方米，将在5 7 6 5 年内枯竭。煤的储量约为5 6 0 0 亿吨，l 9 9 5 年煤炭开 采量为3 3 亿吨，可以供应16 9 年。铀的年开采量目f j 为每年6 万吨，根据19 9 3 年世界能源委员会的估计可维持到2 1 世纪3 0 年代中期。根据最近几年的消耗 总量，远远超过1 9 9 5 年的数据，并有年年快速增加的趋势。能源价格步步攀升， 对世界经济产生不利的影响，同时对地区稳定带来不可预见的灾难。 表卜1 各种初级燃料的蕴藏量估计 能源蕴藏量夸德单耗年限年 总耗年限年 石油 1 0 2 06 0 天然气 1 0 2 010 0 铀2 3 5 1 0 2 03 0 0 铀2 3 8 ， 1 0 7 2 0 0 0 0 0 聚变氘氚 1 0 7 2 0 0 0 0 0 聚变氘氘 1 0 “2 x 1 0 7 注：1 夸德= 1 0 1 8 j 1 1 2 中国能源现状【5 ，6 】 进入2 1 世纪，中国步入高速发展的阶段，在取得骄人成绩的同时，也消耗 大量的化石燃料并付出环境污染的代价。 中国地大物博，资源总量比较丰富，但是人均占有量较少。能源生产量仅 次于美国和俄罗斯，居世界第三位；基本能源消费占世界总消费量的1 10 ，仅 次于美国，居世界第二位。中国又是一个以煤炭为主要能源的国家，发展经济 与环境污染的矛盾比较突出。 近年来能源安全问题也日益成为国家生活乃至全社会关注的焦点，日益成 为中国战略安全的隐患和制约经济社会可持续发展的瓶颈。上个世纪9 0 年代以 来，中国经济的持续高速发展带动了能源消费量的急剧上升。自1 9 9 3 年起，中 国由能源净出口国变成净进口国，能源总消费己大于总供给，能源需求的对外 依存度迅速增大。煤炭、电力、石油和天然气等能源在中国都存在缺口，其中， 石油需求量的大增以及由其引起的结构性矛盾日益成为中国能源安全所面临的 最大难题。能源供需面临严峻挑战，人均资源相对不足，人均能耗低而单位产 值能耗高，大量烧煤导致严重的大气污染，中国面临的资源和环境压力十分严 峻。 世界各国积极探索各种能源，比如风能、太阳能、潮汐能、生物能和裂变 能等。这些能源具有一定的局限性，时间和地域特点比较明显，尤其是裂变能 存在较大的风险，譬如2 0 1 1 年3 月1 1 日日本大地震引起的福岛核电站泄漏问 题，令全世界笼罩在核辐射的阴影下，同时使裂变能发电处在风口浪尖上。 热核聚变能是解决未来能源问题的必由之路。热核聚变技术是目前国际上 比较前沿的科学技术，各国政府和科研机构争相参与热核聚变研究。 1 2 热核聚变及中国热核聚变事业 1 2 1 可控热核聚变及i t e r 计划 核能包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能是重金属元素的质子通过 裂变而释放的巨大能量，目前的核电站都是采用裂变方式获取电能。裂变需要 的铀等重金属元素在地球上含量稀少，同时常规裂变反应堆会产生长寿命放射 性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。另一种核能形式是目前尚未 实现商用化的聚变能【3 ，7j 。 核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过 程。轻元素在高温下所形成的完全电离等离子体，叫做热核等离子体。当物质 达到几百万摄氏度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核已经具有足 够的动能，可以克服相互之间的库仑斥力，在碰撞时发生聚变因此，聚变反 应又叫热核反应。热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性：热核反应释 放的能量多；热核反应产生的放射性物质易处理；热核反应所用的燃料氚， 在地球上储量丰富。 聚变能发电主要有三大优势：燃料蕴藏量、环境影响和安全性。聚变能反 应所需的氘、氘在海洋中含丰富，而且提取较容易；聚变反应不产生二氧化碳 或其它温室气体，也不会向大气中排放其它的有害化学物质，主要产物是无害 2 的惰性气体氦气；聚变反应堆工作不取决于大量燃料的链式反应，所以比较安 全。 自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素一氘与氚的聚变，这种反应 在太阳上已经持续了5 0 亿年。氘在海水中藏量丰富，达4 0 万亿吨，一公升海 水里提取出的氘完全发生聚变反应可释放相当于燃烧3 0 0 公升汽油的能量；如 果全部用于聚变反应，释放出的能量足够人类使用几百亿年，而且反应产物是 无放射性污染的氦。因此，受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类 社会的能源问题。 为实现聚变能的利用，许多关键性问题有待于通过实验检验，即所谓“国 际热核聚变反应堆计划”( i n t e r n a t i o n a lt 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 ，简称 i t e r ) ，其与国际空间站、欧洲加速器、人类基因组计划一样，是目f j 全球规 模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一【引。其目的是借助氢同位素在高 温下发生核聚变来获取丰富的能源。19 8 5 年，由美苏首脑提出设计和建造国际 核聚变实验堆i t e r 的倡议，也被称为“人造太阳”计划。 i t e r 运行第一阶段的主要目标是建设一个能产生5 0 万千瓦聚变功率、有 能力维持大于4 0 0 秒氘氚燃烧的托卡马克聚变堆，如图1 1 所示。在i t e r 装 置中将产生与未来商用聚变反应堆相近的氘氚燃烧等离子体，供科学家和工程 师研究其性质和控制方法，这是实现聚变能必经的关键一步。在i t e r 装置上 得到的所有结果都将直接为设计托卡马克型商用聚变堆提供依据。i t e r 装置的 建造是受控热核聚变研究的新阶段，也是人类更接近实现受控聚变能的标志。 i t e r 装置剖面图如图1 2 所示。 i t e r 运行的第二阶段将探索实现具有持续、稳定、高约束的高性能燃烧等 离子体。这种高性能的“先进燃烧等离子体”是建造托卡马克型商用聚变堆所必 要的。i t e r 计划在后期还将探索实现高增益的燃烧等离子体。i t e r 计划科学 目标的实现将为商用聚变堆的建造奠定可靠的科学和工程技术基础。i t e r 计划 设计参数目标如表1 2 所示f 9 】。 图1 1i t e r 装置 3 图卜2i t e r 装置剖面图( i t e rf i n a ld e s i g nr e p o r t ) 表1 - 2i t e r 计划参数目标 总聚变功率5 0 0 兆瓦 q ( 聚变功率加热功率) 10 1 4 m e v 中子平均壁负载 0 5 7 m w m 2 每次燃烧时间 5 0 0 秒 等离子体大半径6 2 米 等离子体小半径2 o 米 等离子体电流 1 5 m a 小截面拉长比1 7 等离子体中心磁场强度5 3 特斯拉 等离子体体积837立方米 等离子体表面积6 7 8 平方米 i t e r 的投资和建设规模之庞大，交叉学科种类之多，实验设备之复杂， 都决定了它必须由多国合力完成。该计划需耗时3 5 年，耗资1o o 亿美元，涉及 领域包括超导研究、高真空、生命科学、遥控密封、环境科学、等离子体测量 和控制、信息通信、纳米材料等多种学科。 2 0 0 5 年6 月2 8 日，在计划提出2 0 年选址耗时l8 年后，i t e r 的建设地点 终于花落法国的卡达拉舍，它将成为世界第一个产出能量大于输出能量的核聚 变装置，为制造真正的反应堆做准备。合作承担i t e r 计划的7 个成员是欧盟、 中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国，这七方包括了全世界主要的核国家 和主要的亚洲国家，覆盖的人口接近全球一半。为建设i t e r ，各参与方专门协 商组建了一个独立的国际组织，各国政府首脑在过去几年中都采取不同方式对 参加i t e r 计划作出过正式表态。这些都是国际科技合作史上前所未有的，充 4 分显示了各国政府和科技界对该计划的高度重视。 1 2 2 中国核聚变事业发展及成果 我国核聚变能研究开始于上世纪6 0 年代初，尽管经历了长时间非常困难的 环境，但始终能坚持稳定、逐步的发展，建成了两个在发展中国家最大的、理 工结合的大型现代化专业研究所，即中国核工业集团公司所属的西南物理研究 院( s w i p ) 及中国科学院所属的合肥等离子体物理研究所( a s i p p ) 。 我国核聚变研究从一开始，即便规模很小时，就以在我国实现受控热核聚 变能为主要目标。从上世纪7 0 年代开始，集中选择了托克马克为主要研究途径， 先后建成并运行了小型c t 0 6 ( 中科院物理所) 、k t - 5 ( 中国科技大学) 、h t - 6 b ( a s i p p ) 、h l 1 ( s w i p ) 、h t - 6 m ( a s i p p ) 及中型h l 1 m ( s w i p ) 。最近s w i p 建成的h l 2 a 经过迸一步升级，有可能进入当前国际上正在运行的少数几个中 型托克马克之列。在这些装置的成功研制过程中，组建并锻炼了一批聚变工程 队伍。我国科学家在这些常规托克马克装置上开展了一系列十分有意义的研究 工作。 自19 9 1 年，我国开展了超导托克马克发展计划( a s i p p 负责) ，探索解决 托克马克稳态运行问题。19 9 4 年建成并运行了世界上同类装置中第二大的h t - 7 装置，最近初步建成了首个与i t e r 位形相似( 规模小很多) 的全超导托克马 克e a s t 。超导托克马克计划无疑为我国参加i t e r 计划在技术与人才方面作了 进一步的准备。 e a s t 是由我国科技工作者独立设计制造的世界首个全超导核聚变实验装 置，于2 0 0 7 年3 月通过国家验收，其三大科学目标是在未来15 年内实现1 百 万安电流、10 0 0 秒放电、1 亿度高参数等离子体的稳定运行，为国际热核聚变 实验反应堆( i t e r 计划) 和我国未来独立设计建设运行核聚变堆奠定坚实的科 学和技术基础。 e a s t 是目前为止，超托卡马克反应体部分，唯一能给i t e r 提供实验数据 的装置，它的结构和应用的技术与规划中的i t e r 完全一样，没有的仅仅是换 能部分【l0 1 。e a s t 解决了几个重要问题： 采用了垂直拉长截面，目的是在不增加环形直径的前提下增加反应体的体 积，提高磁场效率。 第一次全部采用了液氦循环利用的全超导体系。可以液氦耗量最小化，同 时让液氦可以循环使用。 此外，e a s t 还是世界上第一个具有主动冷却热沉结构的托卡马克，它的 第一壁是主动冷却的，目前连接的是一个大型冷却塔，它的冷却水可以保证在 长时间运行期间将真空室处的热量带走，以维持系统的温度平衡。这为真正实 现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一方面也是工程化的重要标志一冷却塔 5 换成汽轮机是可以发电的。 2 0 10 年度实验获得的稳定的1o o 秒放电是目前时间最长的核聚变高温偏滤 器等离子体放电，处于国际领先水平。实验中成功开展的利用微波和射频实现 高约束模式运行、高参数先进偏滤器位型的精确控制、长脉冲稳态等离子体的 获得等研究，都是未来核聚变反应堆安全运行的重要科学技术问题，对未来i t er 的物理实验有重要的借鉴作用。 2 0 1 0 年1 1 月，中国和参加i t e r 计划谈判的各方代表，共同签署联合实 施国际热核聚变实验堆计划建立国际聚变能组织的协定( 简称组织协定) 、 联合实施国际热核聚变实验堆计划国际聚变能组织特权和豁免协定( 简称 特豁协定) 及其它相关文件【1 1 1 。 截至2 0 l0 年5 月，中国已与i t e r 组织签订5 个采购包安排协议，涉及环 向场线圈导体、极向场线圈导体、校正场线圈、磁体支撑以及磁体馈线和校正 场线圈导体等采购包，并与中国国内