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i t e r 杜瓦力学与电磁场分析研究 摘要 随着世界经济的发展、不可再生资源日益减少，能源问题成为世界上最为 关心的问题，i t e r 是为了解决能源危机而提出的计划。外真空杜瓦作为i t e r 最外侧部件，为i t e r 托卡马克装置提供真空环境，避免过多的热载荷传递到磁 体系统和冷屏等结构；为了在氦气泄露，以及等离子体破裂等极端情况下保证 主机的安全，作为一种安全保护装置，外真空杜瓦必须具有足够的强度以满足 设计要求。 本文首先介绍了托卡马克基本原理及其装置，介绍了杜瓦结构参数以及力 学性能，由于i t e r 杜瓦是比较复杂的结构件，难以通过力学直接计算出其实际 力学特性，所以本文将通过有限元方法对i t e r 杜瓦力学特性进行仿真研究。本 文介绍有限元核心思想以及其分析过程，为后面利用有限元分析工具进行仿真 研究提供理论依据。根据杜瓦环体结构特点对杜瓦进行了应力分析。 根据有限元方法的分析过程，利用c a t i a 建模工具建立杜瓦壳体模型，借 助网格划分工具h y p e r m e s h 建立杜瓦有限元模型，再利用a n s y s 有限元分析工 具进行杜瓦环体进行静力学分析，并根据强度理论对分析结果进行评定。 重点分析i t e r 托卡马克的磁体系统与等离子体中电磁场变化情况对杜瓦 结构的影响。首先介绍了导电体的电磁场理论，再用t ，q q 法建立三维涡流 场数学模型。根据有限元理论与电磁场理论对杜瓦进行电磁场有限元仿真分析。 建立电磁分析所需要的三维有限元模型，主要研究等离子体线性3 6 毫秒衰减情 况下杜瓦上的涡流与电磁力分布情况。本文对杜瓦进行电磁分析的结果，为后 续深入研究奠定了基础。 关键词：i t e r ；杜瓦；有限元；静力学分析；电磁分析 m 1 1 1 ln ea n a l v s l sa n nr e s e a r c n0 im e c n a n l c sa n d e l e c t r o m a g n e t i co fc r y o s t a tf o ri t e r a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fw o r l de c o n o m y ， d e c r e a s et h en o n r e n e w a b l e r e s o u r c e s ，t h ee n e r g yi s s u ea st h ew o r l dm o s tc o n c e r n ，i t i ! ri si no r d e rt os o l v et h e e n e r g y c r i s i sa n d p l a n e x t e r n a l v a c u u mc r y o s t a ti st h eo u t e rp a r t so fi t e r t o k a m a k ，p r o v i d e sv a c u u me n v i r o n m e n tf o ri t e rt o k a m a kd e v i c e ，a v o i de x c e s s i v e h e a tw a st r a n s f e r r e dt om a g n e ts y s t e ma n dt h e r m a ls h i e l d i no r d e rt om a k es u r et h e s a f e t yo fh o s tu n d e rt h ee x t r e m ec a s et h a th e l i u ml e a k & p l a s m ab r u s t ，t h ec r y o s t a t m u s th a v ee n o u g hs t r e n g t ht om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l ea n dd e v i c eo ft o k a m a k ，t h e n i n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc r y o s t a t ，b e c a u s e i t e rc r y o s t a ti sm o r ec o m p l e xs t r u c t u r e s i ti sh a r dt oc a l c u l a t et h e a c t u a i m e c h a n i c sp r o p e r t i e s s ot h i sp a p e rr e s e a r c hm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fi t e r c r y o s t a tt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o nw i t hf i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h i s p a p e r i n t r o d u c e dt h ec o r ei d e ao ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h ea n a l y s i sp r o c e s s i t p r o v i d et h et h e o r yb a s i sf o rt h eu s eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st o o l sf o rs i m u l a t i o n r e s e a r c h a c c o r d i n gt os t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec y l i n d e ro fi t e r ，d ot h e s t r e s sa n a l y s i sf b rc r y o s t a t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sp r o c e s so fn n i t ee l e m e n tm e t h o d ，b u i l ds h e um o d a l o fc r y o s t a tw i t hc a t i am o d e l i n gt o o l s m e s hw i t ht h et o o l sh y p e 珊e s ht oe s t a b l i s h t h e6 n i t ee l e m e n tm o d a lo fc r y o s t a t f i n a l l l y ，d ot h es t a t i cl o a da n a l y s i so ft h e c y l i n d e ro fi t e rc r y o s t a tw i t ht h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st o o l sa n s y s a n d a c c o r d i n gt ot h es t r e n g t ht h e o r yt oa n a l y s i st h er e s u l t sw h i c ha r ee v a l u a t e d f o c u s e so nt h ea n a l y s i so ft h ei n n u e n c eo nt h es t r u c t u r eo fc r y o s t a tb e c a u s eo f t h e c h a n g eo fe l e c t r o m a g n e t i c f i e l do fi t e rt o k a m a k s m a g n e t ss y s t e m a n d p l a s m a f i r s t i ti n t r o d u c e dt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h e o r yo ft h ec o n d u c t i v e b o d y ，t h e ne s t a b l i s hm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e3 dv o r t e xf i e l dw i t ht ，q - q m e t h o d a c c o r d i n gt ot h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r y ，d o t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i so fc r y o s t a to ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l d e s t a b l i s h 3df i n i t e e l e m e n tm o d a lw h i c h e l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s e s n e e d m a jo r d i s r u p t i o n ( m d ) l i n e r3 6m si sc o n s i d e r e df o rt r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i s i n t h i sp a p e r ，t h ee l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i sr e s u l t sa b o u t c r y o s t a tl a yt h ef o u n d a t i o nf o r t h es u b s e q u e n ti n - d e p t hs t u d y k e y w o r d s ：i t e r ；c r y o s t a t ；f i n i t ee l e m e n t ；s t a t i c sa n a i y s i s ；e l e c t r o m a g n e t i ca n a i y s i s 致谢 值此论文完成之际，向所有关心、支持和帮助我的老师、同学及亲友表示 衷心的感谢! 论文是在导师赵韩教授的精心指导下完成的，在此向导师表示最衷心的感 谢! 赵老师为我树立了为人和治学的榜样，带我进入了机械工程学科的研究领 域，为我的进步与成绩倾注了大量的精力和汗水。在我攻读硕士学位期间，在 学业上和生活上都得到了赵老师的热心关怀，赵老师学识渊博，思维开阔，治 学严谨，在学术上有很深的造诣。他的创造性的科学思维、深邃独特的见解使 我备受起发，将受益终生。我会把这份感激记在心间，化为日后工作、生活的 动力! 衷心祝愿导师身体健康，工作顺利! 衷心感谢田杰老师、张晔老师、杜世俊老师、郑红梅老师、陈科老师、董 玉德老师在我的学习上和生活上的帮助。 衷心感谢葛剑博士、庄园硕士、尉进硕士、陈培赧硕士、中科院等离子所 的雷鸣准博士、汪献伟博士在学习和生活上对我的帮助。 在整个硕士学习期间，我的父母和我的亲人给了我无私的帮助和关爱，感 谢他们多年来对我的付出和支持! 祝愿他们身体健康! 衷心感谢在百忙之中抽出宝贵时间对本论文进行评阅和审议的专家学者 f 门! 张义 2 0 1 2 年4 月 插图清单 图2 1 托克马克示意图5 图2 2 i t e r 托卡马克结构图8 图2 3 真空室结构8 图2 4i t e r 杜瓦的全模型1 0 图2 5工t e r 托卡马克电磁系统1 1 图3 1 带孔矩形薄板1 4 图3 2 等效模型1 4 图3 3 结构离散化1 4 图3 4 单元分析1 5 图3 5 等效节点载荷1 5 图3 6 总体分析1 6 图3 7 引入位移边界条件1 6 图3 8 回转壳体的轴向应力分析1 7 图3 9 小单元的截取1 8 图3 1 0 单元体的应力分析1 9 图3 11 薄壁圆筒应力分析2 0 图4 1 涡流分析的典型求解区域2 4 图4 2 两介质界面2 7 图4 3 三维计算模型2 8 图4 4 电磁体图2 8 图4 5 局部线圈图2 9 图4 6 初始时刻线圈中电流密度分布图2 9 图5 1 简化后杜瓦有限元分析三维模型3 1 图5 2 杜瓦的网格模型3 2 图5 3 杜瓦静力学分析边界条件3 2 图5 4 工况一外压0 1 m p a + 自重环体等效应力分布3 3 图5 5 工况一外压0 1 m p a + 自重环体变形分布3 3 图5 6 工况二测试压力o 2 3 m p a + 外压0 1 m p a + 自重环体等效应力分布3 4 图5 7 工况二测试压力o 2 3 m p a + 外压0 1 m p a + 自重环体变形分布3 4 图5 8 杜瓦全模型的俯视图3 6 图5 9 杜瓦全模型轴测图3 6 图5 1 0 杜瓦4 0 0 模型( 1 9 模型) 3 7 图5 1 l 真空室三维实体视图3 7 图5 1 2 杜瓦、线圈、真空室的4 0 0 扇形( 1 9 ) 模型3 7 图5 1 3s o l i d 9 7 单元3 8 图5 1 4 空气场和线圈3 9 图5 1 5 杜瓦与真空室3 9 图5 1 6 等离子体及其周围的空气场有限元模型3 9 图5 1 7 真空室及其周围的空气场有限元模型3 9 图5 1 8 杜瓦环体有限元模型4 0 图5 1 9 杜瓦顶盖有限元模型4 0 图5 2 0 底座有限元模型4 1 图5 2 l 杜瓦有限元全模型4 1 图5 2 2 杜瓦及线圈整个系统结构有限元模型4 1 图5 2 3 包含空气场的杜瓦所有装置的4 0 0 有限元模型的俯视图4 2 图5 2 4 前角度包含空气场的杜瓦所有装置的4 0 0 有限元模型4 2 图5 2 5 边界条件1 4 3 图5 2 6 边界条件2 4 4 图5 2 7 施加边界条件1 和2 的有限元模型4 4 图5 2 8c s 线圈在1 秒时刻的磁通密度分布情况4 6 图5 2 9p f 线圈在1 秒时刻的磁通密度分布情况4 6 图5 3 0 工况一杜瓦上在x 、y 、z 方向上的涡流分力分布4 7 图5 3 l 工况一杜瓦上总的涡流力分布4 7 图5 3 2 工况一杜瓦涡流密度矢量分布情况4 7 图5 3 3 杜瓦上选取的4 个点4 8 图5 3 4 选取四个点的涡流密度随时间的变化图4 8 图5 3 5 选取四个点的电磁力随时间的变化图4 9 图5 3 6 工况二杜瓦上涡流分布情况4 9 图5 3 7 工况二杜瓦上总的涡流力分布情况4 9 图5 3 8 工况二下杜瓦上在x 、y 、z 方向上的涡流分力分布情况5 0 图5 3 9 工况3 下杜瓦的位移和在x 、y 、z 方向上的应力分布情况5 1 表格清单 表2 1 杜瓦各部件材料类型1 0 表2 2 杜瓦各部件材料的力学性能1 l 表2 3p f 与c s 线圈尺寸和位置1 2 表5 1 七个基本国际单位s i 3 8 表5 2 各组件的电阻率4 3 表5 3p f 与c s 线圈在s o d 、b d 、e o i 三个时刻的电流单位m a 4 4 表5 4p f 与c s 线圈在s o f 情况下的电流单位m a 4 5 表5 5 电磁结构分析应力与位移结果5 0 第一章绪论 1 - 1 引言 由于石油、煤炭等非再生资源的日益减少，以及火力发电对环境的污染严 重等迫使能源问题成为世界各国都非常关心的问题，很多国家都在投资寻找新 的替代能源。从五十年代开始，许多国家已经开始建造以核反应堆为基础的核 电站。目前全世界三十多个国家已经建成了四百多座核电站。还有许多核电站 正在建造中，在当代，核能在世界能源舞台上起着非常重要的作用。但是，现 在的核电站的工作原理是核裂变的理论依据，核裂变的缺点是核裂变的原材料 铀一2 3 5 的储量有限，难以在资源上长期保障，反应放能效率比较低( 比火电高 那是肯定的) ，反应后的核废料放射性极强、难以处理，安全事故的后果很严 重( 切尔诺贝利核电站泄露事件、日本福岛核电站泄露事件) 等。从保护环境 的角度和可持续发展的角度出发，世界各国共同认为解决未来能源问题的有效 途径应发展太阳能、地质能、生物质能、聚变能、地热能、水力能、风能等新 能源方面。但其中太阳能、风能等由于受到地理位置和环境气候的限制，难以 大规模开发利用，而聚变能则不受上述限制。与核裂变能和煤等化石燃料相比， 聚变能有以下优点：( 1 ) 聚变时则有较轻的原子核聚合成较重的原子核而释放 出能量。最常见的是由氢的同位素氘和氚聚合成较重的原子核如氦而释放出能 量。单位质量的氘聚变所放出的能量是单位质量的铀2 3 5 裂变所放出的能量的 4 倍左右，大约每升海水中含有0 0 3 9 氘，而o 0 3 9 氘经过核聚变可提供相当于 3 0 0 升汽油燃烧后释放出来的能量。( 2 ) 核裂变所需要的燃料铀2 3 5 只占天然 铀的0 7 ，地球铀2 3 5 的储量只使用几十年。地球上氘的储量非常丰富，这是 希望开发聚变能源最大优势，在海水中由氘结合形成的重水根据其质量计算， 约占海水总量的l 6 7 0 0 。每克氘通过聚变可以放出1 0 5 千瓦小时能量，地球上 海水储存量为1 0 吨，其中含氘约为1 0 1 4 吨的数量级。按现在世界上每年能源 消耗约为2 1 0 2 0 焦耳= 5 6 1 0 1 3 千瓦小时的能量，全世界一年大概需要消耗5 6 1 0 z 吨氘j 。地球上的氘够用几百亿年。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠 中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。地球上蕴藏的核聚变能比蕴 藏的可进行核裂变能丰富多了，可以说是取之不尽的能源。( 3 ) 聚变能源的第 三个优点是对环境污染不严重，热核反应的产物基本没有发射性，即使氚有一 定的放射性，但它仅是反应的中间产物，比较容易处理。反应中放出的1 4 m e v 中子适当处理后对环境没有严重的污染问题。( 4 ) 聚变能安全可靠。核裂变存 在核事故和核泄漏安全隐患，而核聚变过程一旦出现问题，聚变就会自动停止， 难以导致核泄漏等安全事故的出现【2 1 。 i t e r ( 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 ) 为国际热 核实验反应堆合作计划的简称，是为了解决能源危机而提出的计划，是由欧盟、 加拿大、俄罗斯、日本、韩国、中国和美国七方共同投资1 3 1 0 1 2 日元巨资建 立的，被誉为“人造太阳”的一个新能源计划3 1 。i t e r 总部地点在法国的南部 小城卡达拉舍。 1 2 课题研究的意义 热核反应堆是利用氘和氚的原子核实现核聚变的反应堆。与现在得核电站 核裂变发电相比较，用受控热核聚变能量进行发电能够释放够多能量、成本低、 实验资源丰富、安全可靠等优点。通过对聚变实验堆外真空杜瓦和冷屏的设计 研究，以国际合作为契机，消化、吸收工t e r 外真空杜瓦和冷屏现有的设计方法。 掌握各个设计分析软件( c a t i a 、a n s y s 、h y p e r m e s h ) 的使用以及先进的设计方 法和设计理念，为将来设计和研制自己的聚变实验堆建立基础，加强国内相应 聚变技术的研究和创新，提高我国核聚变工程中的设计水平。 建立较为完整的外真空杜瓦分析方法，详细计算、分析i t e r 外真空杜瓦的 静载荷、电磁载荷的情况等，为目前i t e r 外真空杜瓦和冷屏的设计提供依据以 及为后续国内的设计分析积累经验。 杜瓦是i t e r 托卡马克的最外侧部件，其主要功能是i t e r 托卡马克装置提 供真空环境，避免过多的热载荷传递到磁体系统和冷屏等结构；为了在氦气泄 露，以及等离子体破裂等极端情况下保证主机的安全，外真空杜瓦必须具有足 够的强度。分析的结果为其结构设计与优化提供了理论依据。所以进行杜瓦的 力学与电磁场分析研究具有十分重要的工程意义。 1 3 国内外研究现状 国际热核聚变实验堆( i t e r ) 计划在1 9 8 5 年日内瓦峰会上由美国和前苏联 提出的。i t e r 是用来验证核聚变能大规模的应用的工程技术可行性和科学性， 并最终使其成为一种用之不竭的能源。1 9 8 8 年至1 9 9 8 年间，美国、日本、欧盟 和俄罗斯完成i t e r 的概念设计与工程设计，由于预算过高等各种原因，美国退 出i t e r 计划。为了减少工程造价，俄罗斯、欧盟、日本等三方对i t e r 进行改进 设计，在维持主体工程和物理目标前提下，将等离子体运行参数、聚变功率等 进行削减，使其造价减到原来一半。在2 0 0 3 年，韩国和我国加入i t e r 计划，美 国也重返i t e r 。2 0 0 5 年6 月，各方代表达成协议，i t e r 托卡马克装置将建在法国 南部的卡达拉舍。在2 0 0 6 年1 1 月，i t e r 六方代表正式签署国际热核聚变实验反 应堆计划联合实施协定及其相关文件，i t e r 计划正式进入执行阶段。该项目将 在法国南部的卡达拉奇( c a d a r a c h e ) 建设一座世界最大的托卡马克热核聚变实 验堆h 咱1 。该堆是一个电站规模的实验反应堆，其作用和任务是：用具有电站规 模的实验堆证明氘氚等离子体的受控点火和持续燃烧，验证聚变反应堆系统的 工程可行性，综合测试聚变发电所需的高热流与核部件，实现稳态运行，从而 2 为建造聚变能示范电站奠定必要的科学技术基础。在it i ! r 研发成果的基础上， 各方将在2 0 3 0 年| 、订后建成一座热核聚变示范咆站。根据目前进度计划，项目将 在2 0 l9 年1 1 月实现一个匝要晕程碑，产生第束等离子体；计划在2 0 2 7 年3 月丌 始氘氚运行6 1 。 当前世界各闻建有多个托克马克实验装置，像法国的t o r es u p r a ，日本的 j t 6 0 s a ，美幽的t f t r ，韩围的k s t a r ，以及中国的e a s t 。 j t 一6 0 s a 是在同本和欧盟合作的基础上，旨在对国际热核实验堆进行补充 性和支持性的研究，以及用来研究示范堆d e m o 上将会遇到的些关键技术问 题。j t 一6 0 s a 的加热系统、电流驱动和电源等系统的高性能应满足高温和高密 度等离予体的运行要求。现在j t 6 0 s a 正按预定计划进行建造，有望在2 0 1 6 年实现前次等离予体放电i7 l 。 我因在上世纪5 0 年代术就已经开始核聚变能的研究，以受控核聚变能为主 要目标，以托卡马克装胃为主要研究途径。我国先后建成并运行多个核聚变实 验装置，如中科院物理所的c t 一6 ，西南物理研究院的h i 。1 、h l 一1m ，中科院 等离予所的h t 6 b 、h t 7 、e a s t 等实验装置。19 9 6 年中科院等离子所在h t 一7 超导托卡马克前期成功研究经验前提下，提出e a s t ( e x p e r i m e n t a la d v a n c e d s u p e r c o n d u c t i n gt o k a m a k ，先进超导托卡马克实验装置) 大科学工程研究计划， e a s t 是一个非圆截面拿超导托卡马克装置，是用来研究稳态运行时先进超导 托卡马克一些物理问题和解决近堆芯等离子体稳态先进运行模式下的一些工程 和科学问题，2 0 0 6 年该实验装置建成并成功完成放电实验，2 0 10 年1 1 月实现 高阶模放电，物理研究与工程建设为i t e r 建设提供了直接经验和基础，为 核聚变进一步研究作h _ j 了贡献i 。 图1 1 中国的e a s t 装置图1 2 韩闺的k s t a r 1 4 本课题的来源及其主要研究内容 本课题是来自于国家科技部国际热核聚变实验堆( i t e r ) 计划9 项( 9 7 3 ) 项目聚变实验堆设计研究一杜瓦和冷屏设计方法研究、力学特性分析及关键制 造技术研究。 i t e r 托卡马克装置主要由中心螺旋管、真空室、极向场线圈、纵场线圈、 磁体馈线、内外冷屏、包层、杜瓦等部件组成，杜瓦是其最外侧部件，在系统 正常运行情况下，杜瓦要承受重力载荷、热载荷、压力载荷、电磁载荷等的冲 击；在氦气泄露、等离子体破裂、冷却水进入以及强烈的地震等极端情况下， 外侧杜瓦必须有足够的强度，所以要对杜瓦进行力学和电磁场分析。 本文的研究计划包括以下方面：( 1 ) 根据托卡马克的工作原理，分析托卡 马克结构与功能，分析杜瓦的结构参数和电磁系统参数。( 2 ) 根据杜瓦现有资 料进行消化吸收，针对杜瓦结构，用三维建模工具合理建立杜瓦几何模型，并 根据杜瓦结构合理划分网格，利用有限元分析软件a n s y s 对杜瓦环体在不同 载荷工况下进行静力学特性分析，并对根据分析结果进行判定。( 3 ) 根据电磁 场理论，研究i t e r 杜瓦电磁场数学模型；用三维建模工具建立纵场线圈、中 心螺旋管、极向场线圈、等离子体、真空室、杜瓦及其空气场三维几何模型， 利用网格划分工具h y p e r m e s h 对模型进行网格划分，在a n s y s 中进行给定工 况下稳态低频电磁分析和给定工况下的瞬态电磁分析。( 4 ) 在稳态及瞬态的电 磁分析中提取磁通密度分布、电磁力分布及涡流分布等分析结果。经电磁场理 论验证及模拟仿真后，为杜瓦结构设计和力学特性分析提供详细的电磁载荷状 况。 4 第二章托卡马克原理及其装置 2 1 托卡马克概况 托卡马克( t o k a m a k ) 是由俄罗斯科学家发明的利用变压器原理产生等离子 体，并由强磁场约束及控制等离子体的装置。t o k a m a k 是由俄文“环形”、 “容器”及“磁场”的前几个字母组成。托卡马克是当前世界上主要核聚变 实验装置p j 。 核聚变中等离子体的温度极高，带电粒子的动能约为1 0 k e v 相当于温度1 亿k 。任何材料容器都难以承受这样的温度，所以应该采用特殊的方法将高温 等离子体约束住，在实验室中通过人工的方法约束高温等离子体主要有惯性约 束与磁约束两种类型。磁约束就是利用磁场将高温等离子体约束在一定的区域 内，使其处于平衡状态。托卡马克是当前世界上主要核聚变实验装置，其约束 高温等离子体的方法是磁约束【l 。 托卡马克装置的主要部件组成为：真空系统、纵向场线圈、极向场线圈以 及加热场变压器等。极向场线圈是用来产生强大的极向磁场；纵向场线圈是用 来产生强大的纵向磁场；变压器是用来在等离子内产生感应电流。在大中型托 卡马克装置中这些线圈的电源是通过大功率飞轮发电机组来提供的。容纳等离 子体的真空室以及真空泵机组组成了真空系统。真空室不仅要有足够的机械强 度还要有足够的电阻值，还要留有绝缘缝隙，这样能够保证磁场的渗透。抽气 系统采用大抽速的涡轮分子泵，将真空室抽成超高真空，以便满足等离子体对 环境的要求。图2 1 为托卡马克示意图。对于非圆截面的托卡马克装置，除了 纵场线圈、加热场线圈以及维护平衡的垂直场线圈之外还配置了形状控制线圈。 合成t 局 纵氍 图2 1 托克马克示意图 2 2 磁约束原理 磁场与等离子体之间的相互作用力是磁场对等离子体的主要约束能力。磁 场与等离子体的作用力主要有三方面，一是磁场对等离子体中带电粒子的洛伦 磁力；二是对等离子体产生的宏观效果磁应力；三是等离子体中有电流通过时， 除了外加磁场产生的作用力外，电流本身产生的磁场产生的一种箍缩力。 洛伦磁力同时垂直于磁场与等离子体的运动方向，等离子体在洛伦磁力的 作用下作圆周运动。当磁场足够强时，旋转半径会很小，比如在热核点火的等 离子体条件下，磁场强度达到2 特斯拉，电子旋转半径为1 7 e 一2 c m ，离子旋转 半径为o 7 c m 。等离子体的带电粒子像粘在磁力线附近一样。虽然磁场的洛伦 磁力能够在垂直磁场方向将等离子体带电粒子约束住，但在平行磁场方向等离 子体是自由的，等离子体能够沿磁力线损失掉。这是等离子体最不足之处。 磁应力又叫磁张力，是磁场给予等离子体的宏观作用力，它又分为磁压力 与磁拉力。磁压力是来自相邻的磁力线，方向垂直于磁力线并且从磁力线密的 地方指向磁力线疏的地方。磁拉力是沿着磁力线方向，每对磁拉力的合力垂直 于磁力线。磁拉力为 f ：竺 2 p o 在磁拉力的作用下，磁力线像两头固定的橡皮筋，像被磁拉力绷的紧紧的。在 不受外力的作用下，磁力线分布形状使得磁力线上各点都不再受力，磁力线上 每点的总磁张力为零。假设磁场连续分布在等离子体内外时，由于磁张力在平 衡状态下处处为零，所以在等离子体边界上或者内部都没有磁张力的约束。因 此，要想磁张力约束等离子体，就得使磁场在等离子体内外有个不连续跳跃。 在磁约束等离子体中磁场与等离子体之间有一个明确的分界面，在这分界面上 只存在从磁场指向等离子体内部的磁张力，造成相应的磁压强，与它平衡的是 从等离子体内部指向磁场的热压强。磁压力与热膨胀力相抵消从而约束了等离 子体。然而实际上磁场会向等离子体内部扩散，即便开始存在明确的边界，也 会因为扩散这种边界慢慢消失，也会导致上述的磁压力不存在。为此能够行得 通的办法是使的磁场相对整个约束过程所需要的时间扩散的足够慢就行了。在 约束过程中等离子体与磁场间有一个模糊的边界，所以存在磁压力。其次，磁 场穿透等离子体的时间与等离子体的电导率有关，电导率越大，磁场就越难穿 透。由于核聚变中的高温等离子体电导率很大，所以磁场很难穿透。假设先建 立磁场，后建立等离子体，磁力线会被冻结在等离子体中；假设先建立等离子 体，后建立磁场，这样磁场就难以渗入。前面情况下冻结的磁力线可以稳定等 离子体的宏观磁流体力学扰动；后面情况下在等离子体边界上产生磁压强，能 够约束等离子体。 给等离子体施加电场后，电子与离子同时在相反方向被加速，电子与离子 6 将因互相碰撞耗掉电场方向的速度。最终维持一定的速度因为碰撞消耗的速度 与加速达到平衡。由于电子速度大，其质量小，所以形成等离子体电流。可以 把这些电流认为是由无数个细小电流管组成，同向的细小电流管之间存在相互 作用力。在等离子体边界附近的电流管仅受到轴心的吸引，边界外没有吸引力， 所以向中心收缩，中间各层的电流管都有一个向中心收缩的趋势。这种现象的 原因是电流本身产生的磁场对自己的洛伦磁力，跟外磁场无关，这种现象称作 箍缩效应。自收缩与磁压强都能使等离子体向中心紧缩从而达到约束效果。磁 约束就是通过以上几种效应来约束等离子体的。 2 3i t e r 托卡马克结构与组成 i t e r 托卡马克主机装置主要有1 2 个部件组成【1 1 】【12 1 ，它们为： 1 、用n b 3 s n 超导材料绕制的由6 组模块组成的中心螺旋管线圈组件； 2 、由不锈钢材料制成的双层真空室； 3 、第一壁及包层； 4 、用n b 3 s n 超导材料绕制的由1 8 个模块组成的纵向场线圈组件； 5 、用n b t i 超导材料绕制的由6 个模块组成的极向场线圈组件； 6 、在真空室与超导磁体之间的内冷屏和杜瓦与超导体之间的外冷屏； 7 、盒装组成的偏滤器； 8 、i t e r 托卡马克装置供电系统； 9 、i t e r 托卡马克装置冷却水系统； l o 、加热与驱动系统； 1 1 、提供液氦与冷氦气的低温车间； 1 2 、由3 0 4 l 不锈钢材料制成的杜瓦。 由真空系统、超导磁体系统、内外冷屏、杜瓦、磁体馈线系统以及其它系 统等组成的i t e r 托卡马克装置结构如图2 2 所示。 ( 1 ) 真空室【”j 真空室是由9 个4 0 。扇形段焊接组成的d 形截面的环形，中间没有绝缘隔 缝。在每个扇形段的上中下上各开了一个窗口，真空室采用双层3 1 6 l 不锈钢高 真空组件结构系统。包括外侧区域的窗体结构和贯穿于整个真空室内外壳体的 大量柔性支撑等。内外层壳体厚度为6 0 m ，加强肋板厚度为4 0 咖。其结构如图 2 3 所示。真空室具有很多功能：1 、为了避免等离子体中有杂质进入，真空室 为其提供超高真空特殊运行环境；2 、支撑真空室内部件及其引起的机械负荷； 3 、参与了中子防护并移除所有真空室内部件的衰减热量；4 、通过其窗口为诊 断、加热系统等提供接近等离子体的所有通路；5 、第一个为氚和活化灰尘提供 约束壁垒。 7 3 图2 2 i t e r 托k 马兜结构图 i 外层壳：2 柔性支撑食：3 擞向肋板：4 内绀联； 5 真窄室支撑：6 i ：部窗l j ：7 真守宅冷却水j i ：【】 8 中问窗l i ；9 下 = ； 窗l j ：l o 真卒宅冷却水进u 图2 3 真空室结构 ( 2 ) 磁体系统1 1 4 j i t e r 是全超导托仁- _ f 5 克聚变装置，其磁体系统j i 要有山6 个模块组成的个 中心螺旋管( c s ) 线圈、6 个极向场线圈( p f ) 和18 个纵向场线圈( t i ? ) 等， r 在这些线圈的作用下，用于控制、约束、成形以及检测真空室内的等离子体， 为其能够稳态运行提供所需要的磁场环境。 ( 3 ) 内外冷屏【1 5 j i t e r 装置的冷屏系统分为内冷屏与外冷屏，内冷屏处在真空室与磁体系统 之间，外冷屏处在磁体系统与杜瓦之间。内冷屏由9 个4 0 。扇形段经绝缘隔缝 连接而成，外冷屏由底座、中环与上盖组成。内外冷屏由冷屏通道连接成一刚 性整体。内外冷屏主要是为了减少内外环境对电磁系统中的线圈的辐射热负荷 作用，维护超导线圈运行所需要的低温环境。 ( 4 ) 馈线系统【1 6 j i t e r 馈线系统主要有3 1 个超导馈线组成，按馈线在磁体系统中的位置可 以分为内部馈线、过渡馈线和终端盒三部分。内部馈线处在杜瓦内部，用于连 接磁体线圈终端；过渡馈线是为了提供贯穿杜瓦及屏蔽层的通道；终端盒是连 接电源、低温车间以及数据终端。馈线主要是为了保证i t e r 磁体系统能够正常 运行设置的独立系统，要完成向磁体系统传输电流、提供冷却以及运行时进行 测量控制诊断等任务。 ( 5 ) 杜瓦 杜瓦是i t e r 托卡马克装置的主要承载部件，还为超导磁体系统提供所需要 的真空环境。 2 4i t e r 杜瓦 2 4 1i t e r 杜瓦的结构与基本参数i l 7 j i t e r 杜瓦主要由顶盖、上环体、下环体与基座四个部分组成。各个部分主 要通过焊接方式连接。杜瓦的的顶盖是碟形封头形状，球的半径是r = 3 7 2 0 0 m m ， 过渡圆弧曲率半径是r = 1 3 0 0 舳，顶盖的厚度是5 0 姗；上环体和下环体是薄壁圆 筒结构，上下环体圆筒的公称直径是d = 2 8 5 3 0 m m ，圆筒厚度为8 0 m m ，基座是平板 封头形状，采用裙式支撑与圆柱支撑相结合方式。i t e r 杜瓦的模型如图3 2 所 不。 i t e r 杜瓦主要有以下功能：1 为i t e r 托卡马克内部结构件提供真空环境， 隔绝外界热载荷传递到其内部结构件上。2 为i t e r 里面部件的提供通道。3 杜瓦上有上中下三种真空室窗口。4 通过其支撑结构传递来自托卡马克基本装 置的所有载荷。 9 子装配图+ 一 装配图一 图2 4l t e r 杜瓦的全模喇 2 4 2 杜瓦的材料特性 根据i t e r 提供的资料以及以前设计的托忙5 克装置经验，i t e r 杜丸材料 i ：要采 】通”j 性的一i 锈钢3 0 4 系列。3 0 4 系列彳、= 锈钢具有很好的耐高温性。i t e r 各部件材料类型如表2 1 所示。 ；件名称 顶盖支撑结构 农2 1 杜轧各部f ，l ：材料类刑 材料类型 a s m es a 5 7 2g r a d e4 2 5 0 径向支撑结构a s m es a 一2 4 03 0 4 杜瓦裙座a s m es a 2 4 03 0 4 环形承重支撑圈a s m es a 2 4 03 0 4 杜瓦环体加强肋a s m es a 2 4 03 0 4 基座加强肋a s m es a 2 4 03 0 4 l 基座a s m es a 2 4 03 0 4 l t 3 问水平环a s m es a 2 4 03 0 4 l 环形承重支撑圈的支撑柱a s m es a 2 4 03 0 4 环体加强圈a s m es a 2 4 03 0 4 l 上环体与下环体a s m es a 2 4 03 0 4 l 杜瓦顶盖a s m es a 2 4 03 0 4 根据a s m e 标准，杜瓦各部件材料的力学性能如表2 2 所示1 18 1 。 表2 2 杜瓦各部件材料的力学性能 材料 s a 2 4 03 0 4s a 一2 4 03 0 4 ls a 一5 7 2 屈服极限( m p a )2 0 717 22 9 0 强度极限( m p a )5174 8 34 15 弹性模量( m p a ) 1 9 5 0 0 01 9 5 0 0 0 2 0 3 0 0 0 泊松比 0 30 3o 3 剪切模量( m p a ) 7 5 0 0 07 5 0 0 07 8 0 7 7 密度( k g m m 3 ) 7 9 4x 1 0 67 9 4x 1 0 67 9 6x l o 。6 2 5jt e r 电磁系统 i t e r 是全超导的托卡马克聚变装置，其磁场系统主要包括6 个中心螺旋管 线圈( c s ) 、6 个极向场线圈( p f ) 、l8 个纵向场线圈( t f ) 以及等离子体， 如图2 5 所示。 图2 5i t e r 托# 马克i 乜磁系统 2 5 1 托卡马克等离f 体的产生 托卡马克等离子体密度约为10 “m “，梢当于比大气的密度小10 ”一10 ”，所以 真空室内的气压很低，要求真空度达到10 。帕以上。在放电开始自订先充入氘气 或者氢气，气压一般在1o 乞1 01 帕之f n j 。为了使工作气体击穿，采取预电离措 施，通过灯丝发射一部分初始电子，这些电予在电场加速下使部分气体电离形 成初始等离子体。比较先进的预电离技术是采用电子回旋共振预电离技术。 等离子体电离是由环电压产生的，而环电压是由变压器初级线圈的磁通变 化感应产生的。变压器中的磁通变化建立起的电场便在等离子体中感应产生了 电流。当电流在等离子体中开始流动时，电导率非常高的等离子体相当于变压 器中只有一匝的初级线圈。这个电流自身产生了极向磁场，这个磁场与纵向磁 场结合起来便形成了具有旋转变换性质的螺旋形磁场【l 。 2 5 2 磁体线圈系统 ( 1 ) 纵向场线圈t f 【1 9 】 纵向场线圈有1 8 个线圈组成，每个纵向场线圈t f 由5 个主双饼与2 个侧 双饼组成，其材料是n b s n 超导线与纯铜线混合扭绞而成。纵向场线圈t f 的最 大工作电流是9 1 m a 【2 们。 ( 2 ) 中心螺旋管线圈( c s ) 【1 9 】 中心螺旋管线圈( c s ) 由n b 3 s n 股线基的管内电缆导体绕成，由各自单独 供电的6 个线圈组成，中心螺旋管是用于控制真空室内的等离子体形状。中心 螺旋管线圈( c s ) 有6 层结构，单个线圈的最大的工作电流为2 1 9 m a 【2 0 1 。 ( 3 ) 极向场线圈( p f ) 【1 9 1 极向场线圈p f 由6 个不同尺寸的独立线圈组成，所有线圈绕组由材料n b t