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(xué) 新能源研究中心,廣東深圳 518060;2.深圳大學(xué) 光電工程學(xué)院 光電子器件與系統(tǒng)(教育部/廣東省)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東深圳 518060;3.中國科學(xué)院 等離子體物理研究所，合肥 230031； 4.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230027)

0 引言

托卡馬克裝置是目前最有希望實(shí)現(xiàn)可控核聚變的大型動(dòng)力能源裝置之一，中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)是中國新一代在研的大型全超導(dǎo)核聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，肩負(fù)著終極能源的實(shí)驗(yàn)與工程化的重任[1-3]。真空室位于超導(dǎo)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(gè)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(yùn)行環(huán)境，同時(shí)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(jī)及托卡馬克大廳提供輻射屏蔽；外部設(shè)置有冷屏，為超導(dǎo)磁體系統(tǒng)提供絕熱保護(hù)；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(shí)也為等離子體與外界的輔助裝置提供交互通道，其設(shè)有加熱、診斷、電流驅(qū)動(dòng)、核燃料加注、真空及遙操作提供相應(yīng)的窗口，在緊急情況下，承擔(dān)降低堆芯溫度等一系列核安全及應(yīng)急響應(yīng)的功能。目前CFETR已經(jīng)進(jìn)入全面工程設(shè)計(jì)階段，主機(jī)真空室系統(tǒng)是接口較為復(fù)雜和安全級別最高的部件。正在進(jìn)行的工程設(shè)計(jì)主要包含：接口定義、主體設(shè)計(jì)、窗口設(shè)計(jì)、支撐設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、事故分析、工藝路線制定、試驗(yàn)件(Mockup)制造驗(yàn)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(yù)留窗口的主機(jī)集成模型，針對CFETR真空室受力情況復(fù)雜的問題，考慮其強(qiáng)度安全，在典型設(shè)計(jì)工況及極端工況下，采用有限元方法，對其進(jìn)行總體強(qiáng)度校核，以驗(yàn)證真空室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否滿足設(shè)計(jì)工況的強(qiáng)度要求。

1 CFETR真空室設(shè)計(jì)

從20世紀(jì)60年代到70年代中期，托卡馬克真空室主要采用導(dǎo)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(shè)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(jì)70年代中期，有源反饋控制成功后，導(dǎo)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(dāng)時(shí)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(shè)計(jì)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(jì)90年代開始設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

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(gè)窗口，連接著外部的相應(yīng)的輔助加熱和診斷設(shè)備，并在垂直方向及下部預(yù)留有對主機(jī)內(nèi)部器件遠(yuǎn)程維護(hù)的大型窗口，這些窗口為主機(jī)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(gè)約束限制的作用，內(nèi)外殼之間的加強(qiáng)筋采用焊接的方式構(gòu)成一個(gè)整體，在殼體之間的充盈著流動(dòng)的硼化水，具有移除核熱沉淀和屏蔽的作用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，真空室主體沿環(huán)向被分割為16個(gè)扇區(qū)，結(jié)合包層維護(hù)等需求，真空室開設(shè)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(qiáng)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(jìn)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(shè)計(jì)有螺栓孔，通過螺栓將IWS固定在真空室夾層中；同時(shí)筋板與內(nèi)外殼體采取錯(cuò)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(shè)計(jì)

真空室包含16個(gè)上窗口、6個(gè)中窗口、16個(gè)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(shí)也需滿足多功能機(jī)械手(MPD)進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)的通道；下窗口是偏濾器遙操作維護(hù)、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(zhǔn)，同時(shí)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(shè)計(jì)

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(gè)，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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在CFETR真空室設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮真空室受力情況的復(fù)雜性且其載荷遠(yuǎn)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(shí)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(shí)金屬構(gòu)件感應(yīng)產(chǎn)生的渦流，以及Halo電流形成時(shí)與磁場相互作用力，同時(shí)由于真空室在放電之前的烘烤和運(yùn)行過程中的核熱等熱載荷導(dǎo)致溫度變化，都會產(chǎn)生非常大的熱應(yīng)力[9-10]。文中針對CFETR真空室運(yùn)行中的主要載荷進(jìn)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)堆，地震是必須考慮的重要風(fēng)險(xiǎn)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(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)參考，根據(jù)抗震標(biāo)準(zhǔn)，合肥市蜀山區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度。設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第1組。根據(jù)GB 50267—2019《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50011—2016《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，重點(diǎn)設(shè)防類設(shè)備，按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)加速度設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jì)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(shí)間近似呈指數(shù)衰減，MD事件下等離子體電流時(shí)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(shí)等離子體電流-時(shí)間曲線Fig.6 Plasma current-time curve on occurrence of MD event

在完成電磁載荷計(jì)算后，需要將電磁體力載荷作為輸入導(dǎo)入結(jié)構(gòu)場中進(jìn)行多物理場耦合計(jì)算，將真空室的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元，依據(jù)所處位置進(jìn)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，電磁力、渦流以及場強(qiáng)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(jì)算，依據(jù)CFETR等離子MD期間的電流變化可得到各個(gè)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(jì)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(shè)計(jì)工況下真空室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)目前最新的真空室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jī)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(fù)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(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格單元主要以六面體為主。

3 真空室的力學(xué)分析結(jié)果

根據(jù)RCC-MR—2007《壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與建造規(guī)范》中的應(yīng)力分類及應(yīng)力評定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合有限元計(jì)算，開展了典型設(shè)計(jì)工況下CFETR真空室的強(qiáng)度校核。文中主要描述針對自重、地震的設(shè)計(jì)工況，開展真空室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，圖9～11分別示出自重、自重+地震以及MD事件下運(yùn)行工況下真空室整體位移與應(yīng)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(yīng)分析結(jié)果。

在重力作用下，真空式的應(yīng)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(yīng)力分布圖中，較大應(yīng)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(yīng)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(yīng)力Pm與彎曲應(yīng)力Pb之和的最大值等于30.3 MPa(如表5所示)，且遠(yuǎn)小于最大許用應(yīng)力 221 MPa，由此可見，真空室滿足重力工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

(2)地震載荷下的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果。

在重力和地震載荷共同作用下，真空室的應(yīng)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(yīng)力分布圖中，由于地震載荷的方向性，主要應(yīng)力分布出現(xiàn)在模型單支懸臂的水平窗口與偏濾器維護(hù)的下窗口與主機(jī)連接區(qū)域，最大von Mises應(yīng)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(yuǎn)小于最大許用應(yīng)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(qiáng)度要求。

表5 三種設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力結(jié)果及許用應(yīng)力Tab.5 Stress results and allowable stress under three design conditions

(3)MD事件下真空室力學(xué)相應(yīng)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(dǎo)致真空室背景場的劇烈變化，進(jìn)而使得真空室的金屬結(jié)構(gòu)部件上產(chǎn)生感應(yīng)渦流，經(jīng)過仿真分析得到真空室在MD事件下的應(yīng)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(yīng)力分布見圖11，其中主要應(yīng)力分布也出現(xiàn)在PS4處，最大應(yīng)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(yīng)力值為396.7 MPa，Pm+Pb最大值等于93.5 MPa，遠(yuǎn)小于最大許用應(yīng)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(gè)扇形段設(shè)計(jì)，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(yù)制設(shè)計(jì)的37個(gè)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(yuǎn)程維護(hù)等需求。為了保證工程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性，運(yùn)用有限元方法進(jìn)行強(qiáng)度評估，通過與典型工況和危險(xiǎn)事件下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析計(jì)算，CFETR真空室在典型及危險(xiǎn)設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力值均低于材料最大許用應(yīng)力，現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能夠滿足設(shè)計(jì)工況的強(qiáng)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(biāo)志著我國在受控?zé)岷司圩兎矫娴难芯恳膊饺肓耸澜缦冗M(jìn)行列。真空室作為裝置最為重要的部件，相關(guān)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)經(jīng)過多個(gè)裝置的驗(yàn)證和實(shí)踐的檢驗(yàn)，隨著近期EAST裝置完成第10萬次等離子體放電實(shí)驗(yàn)并成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行的新世界紀(jì)錄，CFETR相關(guān)設(shè)計(jì)方法在延續(xù)前者的基礎(chǔ)上進(jìn)一步吸收和消化了ITER的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而能夠保證未來CFETR的順利建造和運(yùn)行。