中國聚變工程實驗堆主機真空室結(jié)構(gòu)設計與分析

龔 正，倪小軍，韓松博，孫金鑫,4，葛 劍，黃建軍，于 斌，高 翔,

(1.深圳大學 新能源研究中心,廣東深圳 518060;2.深圳大學 光電工程學院 光電子器件與系統(tǒng)(教育部/廣東省)重點實驗室,廣東深圳 518060;3.中國科學院 等離子體物理研究所，合肥 230031； 4.中國科學技術(shù)大學，合肥 230027)

0 引言

托卡馬克裝置是目前最有希望實現(xiàn)可控核聚變的大型動力能源裝置之一，中國聚變工程實驗堆(CFETR)是中國新一代在研的大型全超導核聚變工程實驗堆，肩負著終極能源的實驗與工程化的重任[1-3]。真空室位于超導磁體系統(tǒng)內(nèi)部，是托卡馬克裝置重要的部件，其內(nèi)安裝大量的堆內(nèi)部件，是一個環(huán)繞著等離子體的大型真空壓力容器。其主要功能是為等離子體提供高質(zhì)量的真空運行環(huán)境，同時也是重要的核安全屏障[4]。

真空室作為裝置涉及核安全的首道安全屏障，內(nèi)部安置有內(nèi)中子屏蔽層(IWS)內(nèi)中子屏蔽層，為主機及托卡馬克大廳提供輻射屏蔽；外部設置有冷屏，為超導磁體系統(tǒng)提供絕熱保護；此外真空室主體結(jié)構(gòu)還能夠有效降低環(huán)向磁場的波紋度，同時也為等離子體與外界的輔助裝置提供交互通道，其設有加熱、診斷、電流驅(qū)動、核燃料加注、真空及遙操作提供相應的窗口，在緊急情況下，承擔降低堆芯溫度等一系列核安全及應急響應的功能。目前CFETR已經(jīng)進入全面工程設計階段，主機真空室系統(tǒng)是接口較為復雜和安全級別最高的部件。正在進行的工程設計主要包含：接口定義、主體設計、窗口設計、支撐設計、分析計算、事故分析、工藝路線制定、試驗件(Mockup)制造驗證等。文中涉及的真空室結(jié)構(gòu)是目前較為完備的、包含所有接口及預留窗口的主機集成模型，針對CFETR真空室受力情況復雜的問題，考慮其強度安全，在典型設計工況及極端工況下，采用有限元方法，對其進行總體強度校核，以驗證真空室結(jié)構(gòu)設計能否滿足設計工況的強度要求。

1 CFETR真空室設計

從20世紀60年代到70年代中期，托卡馬克真空室主要采用導體殼加真空室的雙真空室結(jié)構(gòu)，F(xiàn)TU和HL-l等大型聚變裝置均采用此種類型的真空室結(jié)構(gòu)，內(nèi)室為波紋管結(jié)構(gòu)，少數(shù)裝置的內(nèi)室還設有絕緣段，外室一般為銅或鋁制的厚殼體，厚度一般為1～5 cm，外室主要用來維持等離子體的位置和抑制等離子體的不穩(wěn)定性。20世紀70年代中期，有源反饋控制成功后，導體殼被逐漸棄用。絕大多數(shù)改造的或新建造的裝置都使用了單層真空室，當時主流的ASDEX，ASDEX-U，JIPP T-II-U等裝置均為單層真空室結(jié)構(gòu)。近年來，隨著研究的深入，中大型裝置逐漸開始采用安全冗余度更高、單設計加工制造難度更大的雙層殼體結(jié)構(gòu)，如JET，JT-60U，DIII-D等，20世紀90年代開始設計和建造的EAST和KSTAR，ITER，JT-60SA都沿用了這種性能更為優(yōu)異的雙層殼體結(jié)構(gòu)的真空室[5]。

1.1 真空室主體選型及設計

CFETR真空室主體采用D形截面的環(huán)形、雙層殼體結(jié)構(gòu)，其中雙層殼體之間充滿具有屏蔽功能的含硼屏蔽冷卻水。

真空室主體包括內(nèi)殼、外殼、筋板、以及內(nèi)部件支撐等結(jié)構(gòu)。真空室按照功能需求，在徑向和環(huán)形開有多個窗口，連接著外部的相應的輔助加熱和診斷設備，并在垂直方向及下部預留有對主機內(nèi)部器件遠程維護的大型窗口，這些窗口為主機的安裝、檢修、測試和更換提供了足夠的通道，真空室總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。

圖1 CFETR真空室總體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the CFETR vacuum vessel

表1 CFETR真空室主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of CFETR vacuum vessel

真空室內(nèi)殼起到第一個約束限制的作用，內(nèi)外殼之間的加強筋采用焊接的方式構(gòu)成一個整體，在殼體之間的充盈著流動的硼化水，具有移除核熱沉淀和屏蔽的作用。根據(jù)設計要求，真空室主體沿環(huán)向被分割為16個扇區(qū)，結(jié)合包層維護等需求，真空室開設有上窗口、中窗口、下窗口，根據(jù)窗口類型和分布，真空室扇區(qū)主要包含3種類型，結(jié)構(gòu)如圖2所示；夾層中的環(huán)向和極向筋板，主要用于提高真空室的強度以及形成流道，其中極向筋板采用T形結(jié)構(gòu)，可以更好地進行無損檢測；為了使水流流過筋板，筋板在合適的位置上開有小孔，且在筋板上還專門設計有螺栓孔，通過螺栓將IWS固定在真空室夾層中；同時筋板與內(nèi)外殼體采取錯開對齊的方式，以避免十字交叉焊縫的形成，筋板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 真空室基本單元結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural schematic diagram of basic unit of the vacuum vessel

圖3 真空室筋板及相關(guān)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the vacuum vessel ribs and related structures

1.2 真空室窗口結(jié)構(gòu)設計

真空室包含16個上窗口、6個中窗口、16個下窗口，結(jié)構(gòu)如圖4所示。上窗口是包層安裝與遙操作、包層水管管路、加熱與診斷部件、引線和饋線引出等的主要通道；中窗口是為診斷、輔助加熱等系統(tǒng)提供界面，同時也需滿足多功能機械手(MPD)進行遠程維護的通道；下窗口是偏濾器遙操作維護、診斷窗口、以及輔助包層遙操作作業(yè)的通道，也是偏濾器管路定位的基準，同時還要作為真空抽氣窗口和低溫泵的引出通道。

圖4 窗口結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of port structures

1.3 真空室支撐設計

CFETR真空室支撐位于真空室下窗口，與下窗口的支撐通過螺栓連接。真空室支撐共16個，共同支撐起真空室本體和窗口，以及位于真空室內(nèi)部的包層、偏濾器、窗口插件和診斷部件等。真空室支撐采用柔性板式結(jié)構(gòu)，包括：支撐頂板、柔性支撐板組件、支撐底板等主要部分。

2 CFETR真空室結(jié)構(gòu)分析邊界載荷及有限元模型

2.1 邊界載荷

依據(jù)之前對EAST東方超環(huán)[6-7]和HL-2M[8]的設計經(jīng)驗，在CFETR真空室設計中，應充分考慮真空室受力情況的復雜性且其載荷遠高于一般壓力容器的情況。真空室本身除自重較大，需承受內(nèi)外壓差和堆芯部件及硼化水自重等穩(wěn)態(tài)載荷外，還受到一些瞬時載荷作用，如聚變裝置特有的縱場、極向場電流變化或等離子體發(fā)生突然熄滅和垂直位移事件(VDE)時金屬構(gòu)件感應產(chǎn)生的渦流，以及Halo電流形成時與磁場相互作用力，同時由于真空室在放電之前的烘烤和運行過程中的核熱等熱載荷導致溫度變化，都會產(chǎn)生非常大的熱應力[9-10]。文中針對CFETR真空室運行中的主要載荷進行分析及評估。

(1)重力載荷。

真空室主體的自身重力，雙層真空殼體、加強筋板、冷卻水、以及連接件等輔助結(jié)構(gòu)的自重。

(2)地震載荷。

CFETR作為大型核聚變工程實驗堆，地震是必須考慮的重要風險事件，其發(fā)生概率雖然小于10-6，可不作為常規(guī)載荷考慮，但是需要納入極端事故校核相關(guān)設計。由于選址尚在討論和研究中，因此文中擬定合肥地區(qū)地震譜作為CFETR裝置設計參考，根據(jù)抗震標準，合肥市蜀山區(qū)抗震設防烈度為7度。設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第1組。根據(jù)GB 50267—2019《核電廠抗震設計規(guī)范》和GB 50011—2016《建筑抗震設計規(guī)范》中的規(guī)定，重點設防類設備，按高于本地區(qū)抗震設防烈度一度的要求加強其抗震措施。因此，地質(zhì)條件為混泥土澆筑地面，屬Ⅱ類場地，地震設防烈度為8度，特征周期Tg為0.35 s，水平地震影響系數(shù)最大值為0.16(多遇地震)，阻尼比為0.05，相關(guān)參數(shù)見表2，3,合肥地區(qū)標準加速度設計譜曲線圖見圖5。

表2 水平地震最大影響系數(shù)Tab.2 Maximum impact coefficient of horizontal earthquake

表3 特征周期值Tab.3 Characteristic period value

圖5 合肥地區(qū)多遇地震加速度設計譜曲線Fig.5 Acceleration design spectrum of frequent earthquakes in Hefei area

(3)等離子大破裂(MD)。

針對真空室在MD工況下的電磁分析，其主要的輸入為磁體系統(tǒng)電流以及等離子體電流，計算過程中各磁體線圈電流恒定，各線圈的位置參數(shù)及電流參數(shù)見表4；等離子體初始電流隨時間近似呈指數(shù)衰減，MD事件下等離子體電流時程變化曲線如圖6所示。

表4 線圈的幾何參數(shù)和電流參數(shù)Tab.4 Geometric parameters and current parameters of the coil

圖6 MD事件發(fā)生時等離子體電流-時間曲線Fig.6 Plasma current-time curve on occurrence of MD event

在完成電磁載荷計算后，需要將電磁體力載荷作為輸入導入結(jié)構(gòu)場中進行多物理場耦合計算，將真空室的一個標準單元，依據(jù)所處位置進行劃分可將其劃分為PS1高場側(cè)段，PS2上窗口段，PS3中窗口段，PS4下窗口段四大分區(qū)如圖7所示。依據(jù)對EAST東方超環(huán)[6-7]和HL-2M[8]設計經(jīng)驗，電磁力、渦流以及場強會對真空室產(chǎn)生較大的電磁力載荷，依據(jù)不同分段上渦流與磁場的分布，對真空室各分區(qū)就行電磁載荷的計算，依據(jù)CFETR等離子MD期間的電流變化可得到各個分區(qū)上的各向電磁力變化分布圖8所示。

圖7 真空室電磁里計算分區(qū)示意Fig.7 Schematic diagram of the calculation zones in the electromagnetics of the vacuum vessel

(a)PS1高場側(cè)分區(qū)各向電磁力變化曲線

2.2 有限元模型

有限元分析模型為高度整合后的完備的全尺寸模型，利用有限元方法對三種不同設計工況下真空室結(jié)構(gòu)的應力分布和結(jié)構(gòu)響應進行仿真計算。根據(jù)目前最新的真空室結(jié)構(gòu)設計，模型主要分為上、中、下三部分，主要的窗口集中在上部和下部。由于模型較大，分析前，移除了大量的機構(gòu)孔，螺栓連接，簡化了法蘭及連接結(jié)構(gòu)，有限元模型包括真空室內(nèi)外殼體、筋板、窗口及重力支撐，相關(guān)復雜結(jié)構(gòu)簡化處理，連接部位采用綁定全約束的方式簡化處理，對所有窗口的區(qū)域分割處理，并進行網(wǎng)格細化，網(wǎng)格單元主要以六面體為主。

3 真空室的力學分析結(jié)果

根據(jù)RCC-MR—2007《壓水堆核電廠核島機械設備設計與建造規(guī)范》中的應力分類及應力評定標準，結(jié)合有限元計算，開展了典型設計工況下CFETR真空室的強度校核。文中主要描述針對自重、地震的設計工況，開展真空室結(jié)構(gòu)強度校核，圖9～11分別示出自重、自重+地震以及MD事件下運行工況下真空室整體位移與應力分布。

(a)位移分布

(a)位移分布

(a)位移分布

(1)重力載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應分析結(jié)果。

在重力作用下，真空式的應力分布及位移分析結(jié)果如圖9所示，在變形位移分布圖中，其變形量主要出現(xiàn)在真空室中部，最大變形量約為1.7 mm；在模型應力分布圖中，較大應力主要分布在真空室本體與下窗口連接區(qū)域，其中，最大von Mises應力為 42.3 MPa,位于切向窗口與垂直窗口過度圓弧處。真空室上薄膜應力Pm與彎曲應力Pb之和的最大值等于30.3 MPa(如表5所示)，且遠小于最大許用應力 221 MPa，由此可見，真空室滿足重力工況下的結(jié)構(gòu)強度要求。

(2)地震載荷下的動力學分析結(jié)果。

在重力和地震載荷共同作用下，真空室的應力分布及變形分析結(jié)果如圖10所示。整體變形圖中，變形主要分布在真空室中上部窗口及水平窗口外端區(qū)域，最大變形量為3.5 mm；模型應力分布圖中，由于地震載荷的方向性，主要應力分布出現(xiàn)在模型單支懸臂的水平窗口與偏濾器維護的下窗口與主機連接區(qū)域，最大von Mises應力為73.2 MPa，該區(qū)域內(nèi)的Pm+Pb最大值等于49.3 MPa(如表5所示)，且遠小于最大許用應力 221 MPa，由此可見，真空室滿足重力和地震的組合工況下的結(jié)構(gòu)強度要求。

表5 三種設計工況下的應力結(jié)果及許用應力Tab.5 Stress results and allowable stress under three design conditions

(3)MD事件下真空室力學相應的分析結(jié)果。

在等離子體大破裂工況下，由于等離子體電流會發(fā)生指數(shù)量級的變化，導致真空室背景場的劇烈變化，進而使得真空室的金屬結(jié)構(gòu)部件上產(chǎn)生感應渦流，經(jīng)過仿真分析得到真空室在MD事件下的應力分布及變形分析，可見，在MD事件中，最大變形出現(xiàn)在電磁力較大的PS3窗口段，最大變形為4.2 mm。模型應力分布見圖11，其中主要應力分布也出現(xiàn)在PS4處，最大應力出現(xiàn)在真空室主體與下窗口頸管結(jié)合部的區(qū)域，最大von Mises應力值為396.7 MPa，Pm+Pb最大值等于93.5 MPa，遠小于最大許用應力值(482 MPa)。

4 結(jié)語

CFETR真空室采用D形截面雙層殼結(jié)構(gòu)，環(huán)向16個扇形段設計，整體為全焊接結(jié)構(gòu)，主要部件為真空室主體、窗口和支撐，預制設計的37個窗口能夠全面滿足加熱、診斷、抽氣以及安裝內(nèi)部部件和遠程維護等需求。為了保證工程設計結(jié)構(gòu)的可靠性，運用有限元方法進行強度評估，通過與典型工況和危險事件下結(jié)構(gòu)強度的分析計算，CFETR真空室在典型及危險設計工況下的應力值均低于材料最大許用應力，現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設計方案能夠滿足設計工況的強度要求。

隨著合肥超環(huán)(HT-7)、東方超環(huán)(EAST)、中國環(huán)流器二號(HL-2A)、中國環(huán)流器二號(HL-2A)等一系列大型核聚變研究裝置的研制成功及投入使用，標志著我國在受控熱核聚變方面的研究也步入了世界先進行列。真空室作為裝置最為重要的部件，相關(guān)設計方法已經(jīng)經(jīng)過多個裝置的驗證和實踐的檢驗，隨著近期EAST裝置完成第10萬次等離子體放電實驗并成功實現(xiàn)可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行的新世界紀錄，CFETR相關(guān)設計方法在延續(xù)前者的基礎(chǔ)上進一步吸收和消化了ITER的設計經(jīng)驗，進而能夠保證未來CFETR的順利建造和運行。