EAST适合高性能等离子体运行的偏滤器工程研究

发布时间：2020-07-01 11:34

【摘要】：本论文就国家大科学装置EAST托卡马克试验装置适合高性能等离子体运行的偏滤器进行了工程设计研究。EAST的ITER-like上钨偏滤器的使用创造了等离子体101.2秒长脉冲运行的世界记录,为CFETR建设等提供丰富的设计经验。现拟继续提高偏滤器靶板热负荷要求达到更高参数的长脉冲的稳定运行,同时也是“十三五”的目标需求;提出了满足长脉冲、H模高β等离子体运行的先进钨偏滤器几何位形。在未来先进钨偏滤器下,高热负荷区域采用钨串结构的水冷下偏滤器的冷却系统,偏滤器第一壁材料满足稳态10MW/m2热流密度要求,以实现超长脉冲高约束模下运行为目标。本课题开始于2015年底,以EAST下钨偏滤器升级改造为研究对象。基于已有的EAST装置的历史等离子体位形,根据模拟偏滤器靶板上电子温度、热流密度、电子密度等参数,分析杂质、中性粒子等气体载荷,以及不同三角度5下的等离子体位形,研究在工程上比较可靠的结构参数,充分合理利用本来就比较狭小的真空室的偏滤器区域,建立适合多位形等离子体的偏滤器结构。分析Monoblock的传热特性和钨块形状对传热性能的影响,提出了适合高性能等离子体运行的先进钨偏滤器的单元水流速度及满足冷却要求的冷却系统。设计了多种偏滤器冷却方案,采用有限元分析的方法,对下偏滤器的各种冷却结构进行传热分析和模拟仿真。提出了先进下偏滤器单个供水单元的水冷结构设计,进行了供水单元的水流分析。并就EAST下偏滤器冷却结构的传热性能及应力进行了数值模拟仿真研究并确定最优方案。设计多种偏滤器安装方式,最终确定整体式偏滤器作为最佳方案,针对该方案设计了偏滤器打击点、非打击点靶板,以及双齿条加楔块方式的支撑系统设计。分析了在等离子体发生垂直位移事件时,偏滤器上各部分的HALO电磁力和涡流电磁力矩的计算和结构分析。对装置分析运用两种工况分析偏滤器的工程设计能力,结果显示各材料即偏滤器Cassette及支撑结构、外水平靶板、内靶板、DOME、外Baffle等的最大等效应力及变形均在许用范围内,所设计适合高性能等离子体运行的偏滤器满足设计要求。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL631.24;O53
【图文】：

占比,能源,自然资源,煤炭

第一章绪论逡逑１．１引言逡逑１．１．１能源现状及核聚变研究逡逑经济发展是当今世界主流，特别是发展中国家的经济发展持续快速，伴随着逡逑能源的快速消耗。同时预计到２０３５年，世界人口增加约１５亿，数量达到８８亿逡逑人，能源比现在提高约３０％邋（图１．１），世界石油、生物燃料及其它液体燃料达到逡逑１．１亿桶／日。我国地大物博自然资源丰富，煤炭等能源物产储藏量大，但中国拥逡逑有着１４亿人Ｕ的大分母。我国煤炭自然资源较多，石油储量比较紧缺，天然气逡逑自然资源较少。与我国目前能源结构相对应的是以煤炭作为主要的能源来源（图逡逑１．２）。在新常态下，以及“十九大”的新定位，实现碳减排的目标，对煤炭资源的逡逑消费将降低（图１．３），煤炭的占比将会减少，清洁能源得到重视（图１．４）。能源逡逑需求量巨大的同时伴随着化石能源的枯竭，解决未来人类能源危机显得尤为紧迫。逡逑十亿吨油当量逡逑１８邋ｒ逦５０％逡逑？

示意图,煤炭消费,中国能源,消费总量

经济发展是当今世界主流，特别是发展中国家的经济发展持续快速，伴随着逡逑能源的快速消耗。同时预计到２０３５年，世界人口增加约１５亿，数量达到８８亿逡逑人，能源比现在提高约３０％邋（图１．１），世界石油、生物燃料及其它液体燃料达到逡逑１．１亿桶／日。我国地大物博自然资源丰富，煤炭等能源物产储藏量大，但中国拥逡逑有着１４亿人Ｕ的大分母。我国煤炭自然资源较多，石油储量比较紧缺，天然气逡逑自然资源较少。与我国目前能源结构相对应的是以煤炭作为主要的能源来源（图逡逑１．２）。在新常态下，以及“十九大”的新定位，实现碳减排的目标，对煤炭资源的逡逑消费将降低（图１．３），煤炭的占比将会减少，清洁能源得到重视（图１．４）。能源逡逑需求量巨大的同时伴随着化石能源的枯竭，解决未来人类能源危机显得尤为紧迫。逡逑十亿吨油当量逡逑１８邋ｒ逦５０％逡逑■可再生能源？逦＾逡逑１６邋！逦＿水电逦石油逡逑ｉａ邋＝邋■、逡逑２０％逦，天然，＾广逡逑４逦ｒ逦丨可再生１，？逡逑２逡逑0邋ｌ＿＿＿邋邋—逦１“逦！逦Ｌ逦逦0＜）（

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