HL-2M装置环向场线圈电磁力计算.PDF

第 29 卷 第 3 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.29, No.3 2 0 0 9 年 9 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics Sep. 2009 文章编号：0254-6086(2009)03-0208-06 HL-2M 装置环向场线圈电磁力计算 商胜峰，刘德权，李 强，李广生，乔 涛，邹 晖，冉 红，蔡立君 (核工业西南物理研究院，成都 610041) 摘 要：为环向场线圈防倾覆结构及其它支撑部件的设计提供依据，采用有限元实体模型分析方法，通过电磁- 结构耦合计算对 HL-2M 装置的环向场线圈进行电磁力分析。计算结果表明，在目前的防倾覆结构和一般的运行情况 下，环向场线圈所受最大剪切应力约为 7.2MPa ，在材料许用应力范围之内。 关键词：环向场线圈；防倾覆结构；有限元；电磁-结构计算 中图分类号：TL6.2+6 文献标识码：A 1 引言 及装置整体支撑系统的安全运行，所以在托卡马克 环向场线圈 (TFC)是托卡马克装置的重要部 设计、加工前，需要对 TFC 各部件进行受力计算和 件，放电过程中 TFC 受到 I ×B 产生的电磁力作用， 评估。 其结果有二：一是当 B 由 TFC 电流自身产生时， HL-2A 装置将进行升级改造成 HL-2M 装置， TFC 线圈各段所受力的叠加会产生向心力，此时各 HL-2M 装置设计的运行参数将有大幅度的提高。 饼线圈有向装置中心收缩的趋势；二是当 B 由各极 HL-2M 装置将继续使用 HL-2A 装置的 TFC ，拟将 向场线圈和等离子体电流 Ip 共同产生时，每饼 TFC 每个 TFC 往大环外侧移动 250 mm 。所有极向场线 线圈受到的 I ×B 电磁力试图将其垂直倾倒，这个力 圈位于 TFC 外侧，安匝数大幅度提高。可以预见， 称为倾覆力(TOF)[1] ，HL-2A 装置上每饼 TFC 的向 TFC 受到的 TOF 将有较大增加，本文将侧重分析 7 线圈的结构以及结构的力学问题。 心力大约为 10 N 量级。。在 ASDEX-U 的设计中， 以中平面为转动轴，TOF 产生的最大合转矩高达 2.11MN⋅m 。此时每饼 TFC 受到的 I ×B 电磁力还产 2 分析计算原理 生以 TFC 内侧直腿部分为转动轴的水平转矩。在等 TFC 是结构复杂的磁体，一般采用有限元方法 离子体放电过程中，TFC 同时受到向心力和倾覆力 对其进行受力分析，如 ASDEX-U [2]和 ITER[3]装置 的作用，产生复杂的力学问题。例如线圈弯曲处的 中对 TFC 的支撑结构设计都采用了各自的有限元 拉应力，电磁力作用下的线圈变形以及与线圈绝缘 方法。图 1 为 HL-2A 和 HL-2M 装置的 TFC 实体结 材料和壳体间的非线性相互作用等。 构示意图[4]和初步设计的防倾覆结构(TOS)示意图。 一般托卡马克装置内侧 TFC 直腿部分相互挤 TOF 由各极向场线圈电流和等离子电流 IP 所 压，通过向心力使 TFC 达到稳定。同时需要防倾覆 产生的磁场产生，计算倾覆力前应先确定 Ip 和各线 结构(TOS)来支撑和固定 TFC ，以克服 TOF 。TOS 圈的电流参数，以考察最大的倾覆力，即 TFC 受力 具有支撑和固定作用，要尽可能坚固，用于保护 最严峻的情况。HL-2M 装置主要有三种运行位形： TFC ，防止它受到过分的弯曲和剪切破坏。随着托