CFETR放电模拟与堆内部件电磁载荷分析

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中国聚变工程实验堆(CFETR)是我国正在自主研发设计的G瓦级核聚变装置,随着聚变功率的增大,偏滤器热负荷能力将面临严苛的要求,引入雪花偏滤器等先进偏滤器位形是解决问题的有效方法之一。针对此问题,本文进行了偏滤器位形放电模拟研究和偏滤器位形下堆内部件的电磁载荷研究。首先,采用TSC(Tokamak Simulation Code)托卡马克放电模拟程序,对CFETR托卡马克装置放电全过程进行了模拟。实现了下单零偏滤器(SND)和准雪花偏滤器(SF+)两种位形,获得了该位形的等离子体电流波形,等离子体密度、离子/电子温度、大小半径、CS线圈PF线圈电流等参数的演化过程。分析了电流爬升阶段,中性束粒子辅助加热(NBI)和无辅助加热条件下CFETR中等离子体电流的伏秒数消耗,以及不同的中性束注入条件(功率、时间、剖面等)对伏秒数消耗的影响,分析指出适当控制中性束粒子的注入时间及能量沉积剖面可以节省伏秒数消耗10%-25%左右。其次,利用TSC模拟获得的等离子体电流波形,在有限元分析软件ANSYS中建立CFETR托卡马克装置的电磁仿真模型,对装置运行过程中偏滤器和包层等关键部件上的电磁载荷进行分析。通过对两种不同偏滤器位形时的电磁载荷分析,得到堆内部件上所受的最大电磁力为2028.7N,位于轴向靠近中心侧位置,最大变形为0.2×10-3,计算结果表明两种偏滤器放电位形条件下堆内部件所受的电磁载荷符合CFETR设计安全限制。本文的创新性有以下两个方面:第一是使用TSC程序进行了长时间的放电模拟,设计出下单零和雪花偏滤器两种位形的放电波形。第二是将模拟得到的电流波形导入到ANSYS中,使用较为真实的电流载荷来进行电磁结构计算,将物理模拟和电磁分析这两个过程相互耦合,形成了一套较为完整的计算流程。论文的研究结果和研究方法可为CFETR和未来聚变堆的放电模拟以及堆内部件电磁载荷计算提供有益的参考。
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