中国聚变工程实验堆真空室在极限工况下的电磁力分析

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中国聚变工程实验堆是中国自主设计建造的磁约束托卡马克装置。托卡马克装置通过磁场约束等离子体进行聚变反应,在D形截面的托卡马克装置真空室中,等离子体电流随着反应的进程会出现扰动,破坏真空室内部的平衡,引发极限工况,对真空室及其窗口支撑施加电磁载荷。垂直位移事件是一种典型的极限工况,垂直位移事件中的电磁力由感应涡流和halo电流产生,相较于其它工况,垂直位移事件的等离子体电流的大小和方向会随着时间变化,事件过程中磁通变化产生的电流在磁场作用下引起电磁力。电磁载荷对真空室和窗口部件的稳定性具有重大影响,在装置的设计加工前进行电磁力的计算很有必要。本文电磁分析的原理是基于垂直位移事件中的电流淬灭会引起感应涡流,在磁场环境中对真空室及窗口造成电磁负载。通过仿真模拟中国聚变工程装置在运行过程中垂直位移事件中的电流变化情况,对电磁力进行计算分析,评估真空室及窗口受到的电磁负载。本文通过ANSYS Maxwell有限元软件采用瞬态求解的方式对向上垂直位移事件中感应电流产生的电磁力进行计算分析,与静态求解电磁力的计算相比,瞬态求解电磁力极大的缩减了计算的过程,节约时间成本,同时计算的结果也更具整体性。垂直位移事件中的等离子体变化较为复杂,同时瞬态求解需要获取动态的等离子体电流模型,所以本文在感应电流的电磁力的计算之前先进行了数据处理,采用插值处理的方法提取出动态等离子体电流数据以供ANSYS Maxwell软件使用。本文的主要工作也由两个部分组成:数据插值处理和有限元电磁分析。对于垂直位移事件中halo电流产生的电磁力,本文通过数学计算的方式加载该电磁力的极限值。本文细致的考虑了等离子体电流的分布随时间的变化,准确的模拟了电流激励载荷,对中国聚变工程实验堆真空室及窗口的电磁力给出了一个极限值,真空室壳体的Z方向在1.223 s时刻受到的电磁力峰值为2904.8 kN。这为中国聚变工程实验堆的设计方案提供了参考数据和设计依据。
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