ITER真空室中子屏蔽块电磁与力学性能研究

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ITER真空室中子屏蔽位于真空室内壳和外壳之间,以屏蔽块的形式安装在真空室筋板上,是真空室的关键部件之一。常规中子屏蔽块的作用是屏蔽聚变反应产生的中子,铁磁屏蔽块主要是为了降低纵场磁体由于环向分散排布所产生的环向磁场波纹度,同时也具备屏蔽中子的作用。电磁载荷是中子屏蔽的主要设计载荷,中子屏蔽在电磁载荷作用下的力学性能的优劣,直接关系到其屏蔽中子的能力。因此,有必要对中子屏蔽块的电磁载荷进行系统的分析计算,并对屏蔽块在电磁载荷作用下的力学性能进行评估。  首先对ITER真空室中子屏蔽的设计要求进行了研究,并通过合理的设计来满足设计要求。对真空室内部的环向磁场波纹度进行了计算,研究了铁磁材料对真空室环向场波纹度的影响。通过在波纹度相对较高的区域逐渐添加铁磁屏蔽板的方法,将波纹度降低到设计要求(0.4%)以下,并最终确定了不同位置处铁磁屏蔽板的填充厚度。  其次,对规则铁磁单板模型在外界磁场作用下的磁化电磁力进行了理论计算和有限元数值计算,两种方法计算结果一致,验证了有限元求解磁化电磁力的可靠性。对指定位置处的铁磁屏蔽块进行了静态电磁分析,求出了该区域铁磁屏蔽块的磁化电磁载荷。  运用MATLAB对等离子体模拟程序DINA的结果文件进行了数据处理,有效地模拟了等离子体电流和位置随时间的变化。对真空室及内外侧指定位置的屏蔽块进行了快速向下垂直位移事件的瞬态电磁分析,求得屏蔽块的涡流电磁载荷。  然后,对中子屏蔽块进行了在磁化电磁载荷、涡流电磁载荷、热载荷以及自重作用下的结构分析(弹性应力分析)。对不同预紧载荷对屏蔽块各组件应力的影响进行了研究。对屏蔽块的螺钉进行了一次应力的计算,采用ASME标准对整体结构的一次应力和二次应力进行了评定。考虑到垂直位移事件发生的次数,对中子屏蔽块进行了疲劳评定,求得了结构的疲劳许用循环次数。  最后,对塑性极限载荷分析方法进行了研究,并对中子屏蔽块进行了基于理想弹塑性材料属性的极限分析,运用合理的评定方法确定了结构的极限载荷,求得了较弹性应力分析更为真实的安全余量。
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