复杂电磁场下托卡马克真空室的电磁结构耦合分析

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真空室是聚变堆的核心部件,为反应堆提供约束壁垒,抵挡可能发生的意外事故,保证高真空环境,并向内部部件提供支撑等。在放电实验过程中,真空室会面临各种电磁载荷,等离子体破裂、垂直位移事件和热猝灭是三种典型工况,寻求一种可信的真空室电磁结构耦合分析方法十分重要。在等离子体破裂(MD)期间,EAST等离子体电流中心位置相对真空室保持不变,等离子体电流以1 MA初始电流按3ms的时间常数指数衰减。剧烈的电流变化导致真空室产生强烈的涡流效应,并承受巨大的电磁载荷。本文基于ANSYS有限元分析软件,以真空室在等离子体破裂工况下所受电磁载荷为背景,对多种电磁结构耦合分析方法进行验证。并根据耦合分析结果,对EAST真空室结构进行优化。本文的主要工作内容有:1)本文对当今世界能源发展现状,以及发展可控核聚变对未来人类的意义进行了详细的调研。归纳了目前国内外主要的托卡马克装置真空室主要设计参数。2)对真空室电磁-结构耦合分析的相关理论知识进行总结归纳,其中包括所需的有限元基础知识、电磁学和结构力学基本理论,以及耦合分析的载荷传递方法。并对关于真空室的电磁分析及结构分析的公式进行详细推导。3)通过建立模拟真空室在MD事件中收载情况的Benchmark模型,对多种电磁结构耦合分析方法进行验证性分析实验。采用铜板代替真空室模型、激励源Ⅰ=800[EXP(-500*T)—EXP(-6000*T)](A)模拟等离子体电流衰减函数,分别使用Direct-Coupled 法、MFS Single Code 顺序耦合法、Maxwell 耦合法对 Benchmark 模型进行了电磁-结构耦合分析。通过对比各耦合法计算得到铜板的电磁力、涡流及磁场分布大小,并将结构位移曲线与实验测得的位移结果进行比较,验证这几种电磁结构分析方法的准确性,并得出采用Maxwell耦合法的分析效果最佳的结论。4)利用Maxwell耦合分析法对EAST真空室在MD工况期间进行耦合分析,得到真空室每个PS段上的电磁载荷数据,并基于计算得到的数据对真空室筋板进行结构优化;通过对不同厚度筋板的真空室模型进行电磁结构耦合分析,研究筋板厚度对真空室电磁载荷的影响,为真空室的结构优化提供参考。
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