ITER极向场磁体馈线系统的分析与优化

论文摘要

国际热核聚变实验堆ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)是目前正在研究的一项大型国际间的合作项目,其目标是为了研制一个可自持燃烧的托卡马克实验装置,用以证明热核聚变反应堆的技术科学性、工程可行性和运行可靠性。ITER极向场磁体馈线系统的作用是为托卡马克装置的极向场超导磁体系统进行供电、供冷及数据传输、测量和故障诊断,它的研制涉及到电磁学、静力学、传热学、动力学、真空和材料学等多个学科的知识。本课题是来源于：1.国家重点基础研究发展规划973项目"ITER高温超导超大电流引线型超导传输线的研究(2008CB717900)”课题资助；2.国家重点基础研究发展规划973项目‘’ITER超导馈线系统的设计与预研(2007ID206)”课题资助；3. ITER计划专项支持"ITER大型超导磁体系统馈线研究(2008GB 102000)”。课题研究的重点是：从整体装置的安全可靠性方面考虑,在极向场磁体馈线系统加工制造前,对其进行仿真分析,以确定馈线系统受到的电磁力、结构应力等载荷,为结构的设计提供依据。本课题论文的研究内容和创新点如下：首先,论文在介绍核聚变原理、ITER装置组成部分和馈线系统的结构的基础上,对PF馈线系统进行了电磁场仿真分析,获得了电磁力分布结果,以此为根据,分别利用理论计算和ANSYS迭代优化获得了最佳的超导母线支撑间距；其次,建立PF馈线系统的整体分析模型,对PF馈线系统进行了耦合强度仿真分析,参考ASME标准对结构在重力、温度、电磁力和磁体位移等载荷下的应力进行评价,并根据结果对结构进行优化和分析,得到了合理的馈线系统结构；再次,为了验证冷却方案的合理性,对PF馈线系统的冷却过程进行了仿真分析,并根据冷却达到稳定状态时的温度分布对PF馈线系统进行了热应力分析；最后,按照ITER工程的设计要求,对PF馈线系统进行了模态分析和地震谱响应分析,得到了结构的各阶固有频率和振型,以及施加不同方向的SDD地震响应谱时馈线结构上的最大应力和最大位移,验证了馈线结构在地震载荷作用下的安全性。图[57]表[22]参[42]

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图清单
• 表格清单
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 磁约束核聚变的研究
• 1.1.1 磁约束核聚变研究的历史
• 1.1.2 磁约束核聚变的原理
• 1.2 托卡马克装置的原理和ITER
• 1.2.1 托卡马克装置的原理
• 1.2.2 ITER装置的主要组成部分
• 1.2.3 ITER馈线系统的分类
• 1.3 极向场PF磁体线圈馈线系统的结构
• 1.3.1 总体介绍
• 1.3.2 内部馈线
• 1.3.3 过渡馈线
• 1.3.4 S弯盒
• 1.3.5 线圈终端盒
• 1.3.6 干盒
• 1.4 本研究课题的来源、主要研究内容及意义
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 课题研究的主要内容
• 1.4.3 课题研究的意义
• 2 ITER极向场磁体馈线系统电磁场仿真分析
• 2.1 有限元分析软件介绍
• 2.2 静态磁场计算原理
• 2.3 ITER极向场磁体馈线系统电磁场仿真分析
• 2.3.1 ITER极向场馈线系统电磁模型及电流载荷
• 2.3.2 静磁场分析结果
• 2.4 超导母线支撑间距的优化
• 2.4.1 支撑间距的理论计算
• 2.4.2 ANSYS迭代优化计算
• 2.5 本章小结
• 3 ITER极向场磁体馈线系统耦合强度仿真分析
• 3.1 强度理论及强度极限准则
• 3.1.1 强度分析计算理论
• 3.1.2 强度极限准则
• 3.2 ITER极向场磁体馈线系统耦合强度分析
• 3.2.1 使用单元简介
• 3.2.2 材料的选取
• 3.2.3 载荷工况
• 3.2.4 强度分析结果
• 3.2.5 应力评价
• 3.3 结构优化与分析
• 3.3.1 位移补偿机构的选择
• 3.3.2 优化方案的实施
• 3.3.3 最佳方案的选取
• 3.4 本章小结
• 4 ITER极向场磁体馈线系统温度场仿真分析
• 4.1 传热基本原理
• 4.2 冷却过程仿真分析
• 4.2.1 有限元模型的建立
• 4.2.2 材料参数及边界条件
• 4.2.3 温度场分析结果
• 4.3 热应力分析
• 4.4 本章小结
• 5 ITER极向场磁体馈线系统动力学仿真分析
• 5.1 模态分析基本原理
• 5.2 ITER极向场磁体馈线系统模态分析
• 5.3 响应谱分析基本原理
• 5.4 ITER极向场磁体馈线系统地震响应谱分析
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 论文主要创新点
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果