CFETR極向場磁體PF4和5過渡饋線區域外筒初步設計與分析

魏輝翔 王文善 李仁杰 張彪 馬強

摘要：杜瓦外過渡饋線區域（CFT）是CFETR（中國聚變工程試驗堆）磁體饋線系統不可缺少的組成部分。極向場磁體饋線系統（PF）中第四、五兩條饋線由于杜瓦內外空間限制，其CFT結構不同于其他五條，而是設計成“L型”。文中介紹了PF4和5 CFT外筒功能性要求及主要設計參數。利用 ANSYS 有限元軟件，在系統運行狀態下對PF4和5 CFT外筒進行結構強度校核，得到CFT外筒的應力應變分布云圖。結果表明，PF4和5 CFT外筒的最大應力應變均保持在允許的范圍內，結構設計合理可靠。

關鍵詞：CFETR;PF4和5饋線;CFT外筒;初步設計與分析

0 ?引言

我國力爭在2035年建成中國聚變工程試驗堆（Chinese Fusion Engineering Testing Reactor，CFETR），進行相關的物理研究，是我國核聚變研究工作中重要的一環，為本世紀中葉建設商業聚變示范電站打下堅實的基礎[1]。

磁體饋線系統為整個裝置提供電能、超低溫環境、信號控制及反饋等功能，其中CFT結構是單條饋線系統重要組成部件之一。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和杜瓦內饋線區域（ICF），為托卡馬克裝置輸送大功率電能、超低溫冷卻液等，并傳送內部儀器儀表反饋的數據。作為屏蔽保護裝置，穿過生物屏蔽層，為內部電流引線、數據采集系統和輸送管道系統等提供真空和超低溫的工作環境。CFETR單條饋線PF4結構如圖1所示。本文根據CFETR磁體運行要求及杜瓦內外可行空間，建立了饋線系統PF4和5 CFT外筒三維模型，并對其進行結構靜力學強度校核，以驗證結構設計的可靠性。

1 ?PF4和5 CFT外筒結構設計

CFETR PF4和5饋線系統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，為內部部件冷屏、管路系統等提供工作保護層，結構如圖2所示[2]。

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

2 ?CFT外筒結構強度校核

外筒是內部部件的支撐框架和安全保護層，承載所有的重力載荷，為內部管路提供真空環境，外筒的結構設計合理可靠是整個CFT部件正常運行的基本條件。利用有限元軟件ANSYS Workbench進行強度校核，相關載荷設置及邊界條件如下所示[3]：

①外筒體內部處于真空環境，在外筒表面施加0.1MPa的壓力;

②波紋管、內部結構等部件結構復雜，將其省略，省略部分質量約2000kg，為保證分析結果準確，在筒體內壁施加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。

外筒有限元分析應力應變云圖如圖3所示。

CFT外筒結構強度分析結果如表1所示。根據分析設計法中一次薄膜應力（Pm）加一次彎曲應力（Pb）不大于1.5倍的許用應力（[σ]）準則[4]：

最大應力出現在外筒表面與中間重力支座接觸的地方，對該處進行應力線性化得到Pm+Pb值，為54.5 MPa，小于1.5[σ]，則外筒強度結構可以滿足正常運行時的要求。通過分析可知，最大變形量出現在主真空外筒上表面，為0.86mm。外筒是整個CFT的主要支撐部件，為保證設備正常穩定運行，在正常狀態下變形量小于設計許用值5mm。因此外筒的結構強度滿足設計要求。

3 ?結論

論文根據CFETR杜瓦內外可行域及饋線空間布局，建立了CFETR 饋線系統PF4和5 CFT“L型”外筒三維模型，簡化了整條饋線結構。在正常運行的狀況下，對外筒進行結構靜力學分析，得到了外筒的受力情況及變形量，分析結果表明饋線系統PF4和5結構設計合理可靠，可以滿足正常情況下設備運行的需要。

參考文獻：

[1]高翔，萬寶年，宋云濤，等.CFETR物理與工程研究進展[J].中國科學：物理學 力學 天文學， 2018，49（4）：7-14.

[2]蔣新鵬.ITER縱向場磁體過渡饋線系統的設計與分析[D].合肥：合肥工業大學，2011.

[3]王志濱，宋云濤，李長春，等.ITER縱場磁體過渡饋線結構力學分析[J].原子能科學技術，45（4）：436-442.

[4]劉紅芳.API Spec 6A 標準中應力強度準則分析探討[J].機械工程師，2015（03）：233-234.

作者簡介：魏輝翔（1994-），男，河南信陽人，在讀碩士研究生，研究方向為有限元分析與仿真。