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偏滤器相关的数值计算工 作 情 况 汇 报

等 离 子 体 所 四 室

汇报人：李 磊

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提 纲

岗位职责

工作内容和完成任务情况

工作中不足之处及下一步打算

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岗位职责工作部门：四室，姚老师负责的偏滤器组

岗 位：聚变堆结构与热分析

① 对 TOKAMAK 相关的结构进行力学分析。

② 利用 Workbench\ANSYS 对 TOKAMAK 相关的结构进行静力学分析、热分析、耦合分析。

为相关的设计提供参考和支持。

主要职责：

ASIPP近一年来我的学习和工作内容

学习阶段： ① 学习相关的专业知识和技能。例如阅读核聚变、托卡马克、机械设计等方面 的书籍。

② 学习 CATIA ，绘制过托卡马克的真空室、真空室支撑架、偏滤器靶板等模型。

③ 学习 Workbench( 静力学、热力学 ) 。

④ 学习了 ANSYS 中的涡流和电磁力计算功能，分析过等离子体和极向线圈电流变化时在偏滤器上产生的涡流和电磁力。

⑤ 学习了 DINA 程序，参加了所里和 585 的两次培训，掌握了该程序的使用，能够使用该程序模拟等离子体破裂演化过程等物理问题。

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工作阶段（主要做了一些数值计算工作）

EAST 先进钨偏滤器内外靶板的热分析 分析了内、外靶板在不同的水流速度、不同的水冷管道半径和管道间距情况下的温度分布，共计算了十多个算例，对分析数据进行正交理论分析和优化。

外靶板水冷结构 内靶板水冷结构

LL2 L1

H1

R

LL2 L1

H1

R

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最终优化结果：

外靶板 R = 6mm or 7mm, L1 = 19mm ， L3 = 20mm内靶板 R=7mm， L1=19mm， L=108mm

靶板最大温度降低十几度，最大热应力值降低 19% to 24%。

ASIPP EAST 偏滤器靶板采用不同材料、不同直径的销条件下，

受到的 Halo 电磁力时的应力响应计算（ Halo 电流取 40% 等离子体电流）

内靶板应力分析

材料为 :316LN 不锈钢

销直径为 :5 、 6 、 7mm

box 上环场电磁力 7350N

box 上纵场电磁力 175N

每条 monoblock环场电磁力 1386N, 纵场电磁力 30N

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分析结论：① 整个内靶板盒体与 monoblock 部分的强度没有问题② 销应力较大，材料改为强度更高的 inconel 材料为好③ 建议直径 7mm

5mm 销最大应力达 176MPa 剪切应接近 100MPa

ASIPP 不同销尺寸的 Monoblock 支撑座焊缝强度分析 销直径采用 5mm 和 7mm,316LN 不锈钢

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结论：① 焊缝处应力较大（ 60MPa 左右），建议提高焊接质量。② 销直径为 5mm 时，剪切应力较大（ 58.237MPa ），建议采用 7mm ，最好采用高强度钢。

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RH 测试平台静力学分析

真空室内加 500KG 重量，每个窗口加 1000Kg 重量

计算结果：1. 最大变形 0.24498mm，支撑没有出现水平方向的位移；2.最大应力出现在最宽的窗口下的支撑处，约为 26.8MPa ；3.支撑强度能够满足要求；4.在本算例施加的载荷情况下，支撑底部不需要固定，放在地面上不会发生水平位移。

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EAST 钨偏滤器外靶板瞬态热分析 峰值热流密度分别为 3MW/m2 、 4MW/m2 、 5MW/m2 和 1

0MW/m2 ，不考虑水冷作用

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温度分布（ 10MW/m2 ）

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整个靶板最大温度随时间变化曲线

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铜最大温度随时间变化曲线

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表 1 不同峰值热流密度条件下铜达到特定温度的时间

Peak flux

Temperature

10MW/m2 5MW/m2 4MW/m2 3MW/m2

900℃ 9.75s 27.8s 37.8s 47.8s

1000℃ 12.1s 32.79s 44.3s 55.3s

1080℃（熔点） 14.07s 37.02s 49.5s >60s

备注 60s时最大温度为

1062.6℃

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结论： ① 靶板的最高温度随时间近似程指数增长趋势，随时间增

加靶板的温差逐渐增大。 ② 缓冲层铜最先达到自身熔点，其次为铜铬锆，最后为钨。 ③ 缓冲层铜从初始状态自身熔点（ 1080℃ ）的时间分别

为 10MW/m2: 14.07s

5MW/m2 : 37.02s

4MW/m2 : 49.5s

3MW/m2 : >60s

ASIPP完成任务情况

提交的报告：1 、偏滤器内外靶板热分析报告2 、 Mono block 结构有限元分析3 、 Mono block 支撑座焊缝强度分析4 、 EAST 钨偏滤器内靶板应力分析5、 RH 测试平台静力学分析6、 EAST 窗口在静载重下应力分析结果7、 EAST 钨偏滤器外靶板瞬态热分析（ 10MW/m2 ）8、 EAST 钨偏滤器外靶板瞬态热分析（ 3~5MW/m2 ）9 、 Monoblock 氦冷热分析工作以来发表的学术论文：1、 Optimization of divertor plate water-cooled structure in EAST based on orthogonal theory, Plasma Science and Technology (第一作者，已投稿 )2、 The temperature control mechanism of a breeding blanket module for fusion reactor . Journal of Fusion Energy. DOI: 10.1007/s10894-014-9691-8 (第四作者 )3、 The Design and Analysis of the Cooling System of NBI Thermal Shielding for EAST A# Equatorial Port (聚变工程，第四作者 )4、 Optimal design of biconical liner structure based on orthogonal design method, EXPLOSION AND SHOCK WAVES (第一作者 )

ASIPP 工作中不足之处和下一步工作打算：

因专业知识的积累远远不够，遇到了很多难以理解的物理问题，自己的差距很大，一些工作可能做得不够好，需要继续努力学习。

除了完成室里领导交代的任务外，对之前做得一些工作需要进一步整理，多写一些学术论文。

目前正在准备一篇关于用 DINA code 预测 VDEs 期间等离子体演化的文章： Prediction of plasma evolution during VDEs in any tokamak with DINA code

DINA 程序需要进一步深入的学习。

电磁学计算方面还需要加强。

4.2日 参加英国 CCFE Remote Handling 机械设计工程师应聘。

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谢 谢 ！

ASIPPMonoblock 氦冷热分析

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表 2 主要计算结果 钨最大温

度铜最大温

度铜铬锆最大温

度 /K入口 入口速度质

量流量

氦冷 1861 1540 1518 373/573~720

25.5g/s

水冷 962 605 578 308/322 9m/s

备注 氦气与管道边缘处

入口压力

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讨论 ① 采用现有的水冷几何结构进行氦冷，显然效果是不如水冷的。 ②由于没有氦冷的几何模型，如果采用 helium jets 冷却效果如何还需要进一步的计算验证。

③目前采用的是稳态计算，下一步打算计算下瞬态的情况。