EAST钨偏滤器结构设计研究

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本论文研究磁约束核聚变EAST装置中钨偏滤器的设计问题。EAST钨偏滤器是为了瞄准10MW/m2,长脉冲运行的高物理目标进行的装置升级。EAST钨偏滤器根据其功能和特点,在进行工程设计时必须满足以下要求:1)根据物理数值模拟所获得的等离子体位形,偏滤器的几何结构必须有利于中性粒子排出;2)偏滤器部件处在强磁场中,其结构设计必须满足电磁力、热应力等载荷作用下的力学性能要求;3)偏滤器的结构要保证能及时将沉积在偏滤器靶板上的热量送出装置。  通过对目前现有的各类偏滤器的结构特点进行调研与分析,EAST钨偏滤器选择了模块式结构作为最终设计方案。根据EAST等离子体位形运行的要求,首先设计的是EAST钨偏滤器最基本的几何外形,即cassette body的几何外形。偏滤器设计中,电磁载荷最为复杂。论文根据相关的实验数据与资料,分析计算了在等离子体高参数运行时作用在钨偏滤器上的电磁载荷。根据载荷工况,使用有限元分析的方法,cassette body几何形状得到了分析优化,设计出的几何结构尺寸分布均匀,应力分布合理。根据基本的支撑结构形状,论文研究了内、外水盒与dome的结构设计,对第一壁部件的强度等问题进行了有限元分析,并根据分析结果设计出合理的解决方案。同时,第一壁部件内、外水盒,dome之间水冷却管道的相互连接问题是一个难题,最终一个称为end box的结构设计,解决三者之间的连接问题。另外,其它的载荷如地震载荷等问题也在论文中进行了详细地分析与计算。  在钨偏滤器内、外水盒与dome结构设计中,基于热载荷分析的优化设计结果得到应用。等离子体高参数运行时,EAST钨偏滤器的第一壁热载荷的计算较为困难,不能由目前的EAST实验成果直接定量。根据等离子体辐射的基本理论,结合EAST装置相关的测量分析结果,论文初步计算钨偏滤器第一壁的热分布,并根据此研究结果对target box水盒及dome的结构参数进行了优化设计,给出优化后的设计方案与分析结果。根据热分析结果,论文还使用有限元分析的方法评估了热耦合应力对target box水盒与dome结构的影响。  论文对钨偏滤器的工艺问题进行了初步的分析与研究。偏滤器工艺问题难点有两个问题:cassette body尺寸精度控制与安装精度控制。论文通过制造工艺中不同cassette body生产方法的对比分析,找出了最佳的焊接变形控制工艺。安装精度控制主要是偏滤器尺寸误差的分配问题,论文通过理论分析,指出了安装过程中最大误差源,合理地分配了各个环节的允许误差值。  可靠性问题是核装置中很重要的问题。根据EAST装置过去的实验中得到的各项实验数据,装置的可靠性问题较为突出。在EAST钨偏滤器设计中,论文对EAST装置的可靠度进行了理论上计算与分析,并由此对钨偏滤器cassette body的可靠性问题进行了预测与研究,结果表明cassette body的可靠度较高。
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