【摘 要】
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超导托卡马克 EAST（Experimental and Advanced Superconducting Tokamak）是为研究高参数条件下等离子体稳态和先进运行、解决聚变过程中工程、物理问题而建造的实验装置。在近几年的放电实验中,现有的石墨主限制器由于传热性能不足,多次出现了“hotspot”（热斑）现象。在2021年度春季放电实验中,主限制器出现了石墨瓦破损情况,这对于未来更高参数更长脉冲
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超导托卡马克 EAST（Experimental and Advanced Superconducting Tokamak）是为研究高参数条件下等离子体稳态和先进运行、解决聚变过程中工程、物理问题而建造的实验装置。在近几年的放电实验中,现有的石墨主限制器由于传热性能不足,多次出现了“hotspot”（热斑）现象。在2021年度春季放电实验中,主限制器出现了石墨瓦破损情况,这对于未来更高参数更长脉冲等离子体稳定运行是极为不利的。本文从限制器实际物理需求出发,以提高传热性能为目标,对一种新型主限制器开展设计与研究工作,大幅提高了限制器的耐热负载能力。首先,明确EAST装置主限制器的设计目标及设计要求,确定基本的设计步骤和分析方法,依据设计准则对整体结构开展设计工作。对关键部件的材料选择进行确定,确定了以碳纤维复合材料（Carbon Fiber Composites,CFC）为第一壁材料、铬锆铜/316L不锈钢为热沉材料、316L不锈钢为支撑材料的设计方案。其次,基于实验数据对主限制器的载荷来源及分布进行研究,获得了限制器热载荷和电磁载荷的分布特点,这弥补了主限制器载荷研究的空白,为结构设计分析提供重要的理论依据。为了验证限制器的传热性能和结构安全性,采用数值模拟分析方法对CFC主限制器进行热工水力分析和电磁力-结构分析。探究强化换热结构的设计对传热性能的影响,考虑了烘烤工况下结构的安全性。此外,对限制器电磁力的大小进行理论计算,并对其进行力学仿真模拟。数值模拟分析结果表明该结构的传热性能和结构强度均满足设计要求。最后,对CFC主限制器关键部件的加工制造工艺开展研究工作。本文采用直接钎焊工艺和活性金属浇铸工艺对CFC/铜连接件进行研制,通过对连接件的接头进行性能测试与分析,对比了两种工艺连接性能的优劣,实验过程和结果为未来限制器整体的加工制造提供有益的借鉴和指导。
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