CFETR極向場(chǎng)磁體PF4和5過渡饋線區(qū)域外筒初步設(shè)計(jì)與分析

魏輝翔 王文善 李仁杰 張彪 馬強(qiáng)

摘要：杜瓦外過渡饋線區(qū)域（CFT）是CFETR（中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆）磁體饋線系統(tǒng)不可缺少的組成部分。極向場(chǎng)磁體饋線系統(tǒng)（PF）中第四、五兩條饋線由于杜瓦內(nèi)外空間限制，其CFT結(jié)構(gòu)不同于其他五條，而是設(shè)計(jì)成“L型”。文中介紹了PF4和5 CFT外筒功能性要求及主要設(shè)計(jì)參數(shù)。利用 ANSYS 有限元軟件，在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)PF4和5 CFT外筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，得到CFT外筒的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖。結(jié)果表明，PF4和5 CFT外筒的最大應(yīng)力應(yīng)變均保持在允許的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可靠。

關(guān)鍵詞：CFETR;PF4和5饋線;CFT外筒;初步設(shè)計(jì)與分析

0 ?引言

我國(guó)力爭(zhēng)在2035年建成中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆（Chinese Fusion Engineering Testing Reactor，CFETR），進(jìn)行相關(guān)的物理研究，是我國(guó)核聚變研究工作中重要的一環(huán)，為本世紀(jì)中葉建設(shè)商業(yè)聚變示范電站打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。

磁體饋線系統(tǒng)為整個(gè)裝置提供電能、超低溫環(huán)境、信號(hào)控制及反饋等功能，其中CFT結(jié)構(gòu)是單條饋線系統(tǒng)重要組成部件之一。CFT作為過渡連接裝置，前端連接著線圈終端盒（CTB），尾端連接著GIMBALS和杜瓦內(nèi)饋線區(qū)域（ICF），為托卡馬克裝置輸送大功率電能、超低溫冷卻液等，并傳送內(nèi)部?jī)x器儀表反饋的數(shù)據(jù)。作為屏蔽保護(hù)裝置，穿過生物屏蔽層，為內(nèi)部電流引線、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和輸送管道系統(tǒng)等提供真空和超低溫的工作環(huán)境。CFETR單條饋線PF4結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文根據(jù)CFETR磁體運(yùn)行要求及杜瓦內(nèi)外可行空間，建立了饋線系統(tǒng)PF4和5 CFT外筒三維模型，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)強(qiáng)度校核，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

1 ?PF4和5 CFT外筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CFETR PF4和5饋線系統(tǒng)CFT外筒主要包括主真空外筒、真空隔斷處外筒、波紋管和重力支撐等，為內(nèi)部部件冷屏、管路系統(tǒng)等提供工作保護(hù)層，結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

外筒設(shè)計(jì)成橫臥式圓筒狀，不僅可以提高殼體的承載能力，而且增強(qiáng)了整體的穩(wěn)定性，便于安裝。真空外筒均由單層SS304不銹鋼板卷焊而成，真空隔斷處外筒內(nèi)徑996mm，壁厚10mm，筒長(zhǎng)840mm;“L型”主真空外筒內(nèi)徑840mm，壁厚12mm，水平段外筒長(zhǎng)9784mm，豎直段筒長(zhǎng)1575mm。真空外筒直接與外部環(huán)境接觸，為內(nèi)部裝置提供了安裝框架及真空密閉、超低溫的工作環(huán)境。

2 ?CFT外筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

外筒是內(nèi)部部件的支撐框架和安全保護(hù)層，承載所有的重力載荷，為內(nèi)部管路提供真空環(huán)境，外筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可靠是整個(gè)CFT部件正常運(yùn)行的基本條件。利用有限元軟件ANSYS Workbench進(jìn)行強(qiáng)度校核，相關(guān)載荷設(shè)置及邊界條件如下所示[3]：

①外筒體內(nèi)部處于真空環(huán)境，在外筒表面施加0.1MPa的壓力;

②波紋管、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將其省略，省略部分質(zhì)量約2000kg，為保證分析結(jié)果準(zhǔn)確，在筒體內(nèi)壁施加2噸的重力;

③在重力方向上增加7噸的裕度;

④重力支撐座底面完全固定。

外筒有限元分析應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。

CFT外筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果如表1所示。根據(jù)分析設(shè)計(jì)法中一次薄膜應(yīng)力（Pm）加一次彎曲應(yīng)力（Pb）不大于1.5倍的許用應(yīng)力（[σ]）準(zhǔn)則[4]：

最大應(yīng)力出現(xiàn)在外筒表面與中間重力支座接觸的地方，對(duì)該處進(jìn)行應(yīng)力線性化得到Pm+Pb值，為54.5 MPa，小于1.5[σ]，則外筒強(qiáng)度結(jié)構(gòu)可以滿足正常運(yùn)行時(shí)的要求。通過分析可知，最大變形量出現(xiàn)在主真空外筒上表面，為0.86mm。外筒是整個(gè)CFT的主要支撐部件，為保證設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行，在正常狀態(tài)下變形量小于設(shè)計(jì)許用值5mm。因此外筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3 ?結(jié)論

論文根據(jù)CFETR杜瓦內(nèi)外可行域及饋線空間布局，建立了CFETR 饋線系統(tǒng)PF4和5 CFT“L型”外筒三維模型，簡(jiǎn)化了整條饋線結(jié)構(gòu)。在正常運(yùn)行的狀況下，對(duì)外筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，得到了外筒的受力情況及變形量，分析結(jié)果表明饋線系統(tǒng)PF4和5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可靠，可以滿足正常情況下設(shè)備運(yùn)行的需要。

參考文獻(xiàn)：

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[4]劉紅芳.API Spec 6A 標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則分析探討[J].機(jī)械工程師，2015（03）：233-234.

作者簡(jiǎn)介：魏輝翔（1994-），男，河南信陽人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛邢拊治雠c仿真。