未来聚变工程实验堆真空室壳体成型模拟与实验研究-核聚变与等离子.PDF

第 37 卷 第 4 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.37, No.1 2 0 1 7 年 3 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics March 2017 文章编号：0254−6086(2017)01−0032−05 DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701006 未来聚变工程实验堆真空室壳体成型 模拟与实验研究 范小松，吴杰峰，刘志宏 (中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031) 摘 要：参照 ITER 真空室成型工艺，对未来聚变堆真空室壳体各分片进行成型数值模拟，探索成型温度、脱模 温度对成型工件减薄量、回弹量和残余应力的影响。并通过成型实验对数值模拟结果进行了检验，二者结果一致， 所用数值模型可用于后续模具设计。 关键词：聚变堆真空室；壳体成型；减薄量；回弹量；残余应力 中图分类号：TL631.2+4 文献标识码：A 1 引言 弹量等。 中国未来聚变工程实验堆是继 EAST 、HL-2M 之后的下一代托克马克装置[1] 。真空室主要为高温 2 真空室壳体成型工艺 等离子提供聚变反应所需要的超高真空环境和为 2.1 成型材料 内部部件提供支承，可满足烘烤、中子屏蔽以及热 未来聚变堆真空室设计使用 316L(N)-IG(ITER 量输出等对空间和位置的要求，是聚变装置的核心 Grade ，ITER 级)作为其主要材料，由于经济原因， [2] 在 45°真空室全尺寸预研件中，将采用 ASTM 级的 部件之一 。 真空室为环形双层壳体结构，由 8 个 45°扇区 超低碳奥氏体不锈钢 316L 作为主要材料。二者在 构成，截面为 D 形。结构整体由 50mm 厚的内壳、 化学成分上的主要区别是 ITER 级 316L(N)具有更 外壳以及内外壳之间的筋板焊接而成。D 形截面由 高的镍含量，而在力学性能上，特别是与成型密切 5 条圆弧段和 1 条直线段组成，各弧段相切连接。 相关的屈服强度和屈服极限上，二者的区别非常微 [3~5] 真空室在制造过程中会遇到诸多问题，如成 小 。 型、焊接、无损检测、装配及测量等。为对这些问 2.2 成型模型 未来聚变堆真空室为双层结构，内外壳之间的 题进行探索和研究，中科院等离子体物理研究所制 间隙为 180~280mm、最内侧为 180mm、最外侧为 定了一个全尺寸 45°扇区真空室的预研计划。 280mm 。内外壳之间的间隙相对于壳体尺寸较小， 本文对未来聚变堆真空室壳体成型进行了数 使得内外壳仅在尺寸上有微小的不同，在数值模拟 值模拟，并通过成型实验对数值模拟结果进行了检 和成型实验中，取外壳作为研究对象。和 ITER 真 验。对于成型件，其轮廓尺寸、微观组织均是成型 空室不同，未来聚变堆真空室设计为上下对称的形 工艺的重要关注点，而本文从