ITERELM线圈支撑的结构分析与优化设计.PDF

第 35 卷 第 4 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.35, No.4 2 0 1 5 年 12 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics Dec. 2015 文章编号：0254−6086(2015)04−0340−06 DOI: 10.16568/j.0254-6086.201504009 ITER ELM 线圈支撑的结构分析与优化设计 卢 速，张善文，宋云涛，王忠伟, 戢 翔 (中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031) 摘 要： ITER ELM线圈的安装位置和工作环境使其在运行中会承受很大的电磁力和受到因核热和欧姆热产 生的热膨胀。使用ANSYS有限元软件对六种不同支撑结构做了应力分析，并进行了优化设计。最终确定了当横向 梳齿上下两端的通孔为椭圆形且是V字形排列时其最大Tresca应力最小。分析结果为支撑的合理设计提供了理论 依据。 关键词：结构分析；数值模拟；优化设计 中图分类号：TL62+6 文献标志码：A 1 引言 和包层之下，工作在真空、高温、强磁场及强中子 为了减少 ITER 运行时由边界局域摸(ELM)引 辐射环境下，因此该线圈在正常运行时会受到较大 起的在面向等离子体组件上的能量沉积，提高等离 的电磁力。同时，由于高温和携带高能量的中子辐 子体垂直稳定性(VS) ，在 ITER 真空室内部安装 射，线圈还会受热发生膨胀。上述工况会导致 ELM ELM 和 VS 两种真空室内部线圈[1~4]。由于 ELM 线 线圈的支撑结构在电磁力的作用下发生垂直于真 圈所处的安装位置和工作环境使其在工作中会承 空室内壁的挤压和拉伸运动，与此同时线圈导体的 受很大的电磁力和受到因核热和欧姆热产生的热 热膨胀，沿导体长度方向上会产生很高的热应力。 膨胀，因此要求 ELM 线圈支撑能够在这些载荷下 由于电磁力是由设计要求决定的，因此作用于支撑 不发生破坏。 上的电磁力是恒定不变的。然而允许热膨胀，即削 对 ELM 线圈支撑的初始设计结构进行了应力 弱支撑沿导体方向上的约束，是一种可以缓解热应 分析，发现应力值较大并有应力集中的现象出现。 力的途径。由于上述原因，初始设计的 ELM 线圈 通过修改初始模型的局部设计特征，补充了另外 5 支撑采用了一种柔性结构的设计，其外观类似于梳 种支撑结构，并在这 6 种模型中比较了它们之间的 子状，如图 2 所示[2] 。为使计算结果偏保守，线圈 应力分布及最大 Tresca 应力值。 支撑取自中部 ELM 线圈整体模型中所受载荷最大 的一个，其具体位置如图 3 所示。 2 初始 ELM 线圈支撑设计 线圈支撑中的梳齿形柔性结构与支撑卡箍为 真空室内部线圈由 27 个 ELM 线圈以及 2 个 一整体。为减少支撑自身刚度，在其横向与轴向方 VS 线圈组成，真空室 40°扇区中内部线圈布局方式 向上各加工出一系列梳齿，并按一定方式布置。同 如图 1 所示。ELM 线圈共分为 3 个部分，即上部、 时，为避免由加工制造或材料本身缺陷可能引起的 中部及下部线圈。它们由多个支撑独立地焊接在真 在梳齿根部产生的裂纹，所以在横向和轴向的梳齿 空室内壁上。由于 ELM 线圈位于真空室内壁之上 上下端部都设计有通孔。这种支撑结构既有允许热