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人造恒星:高性能核聚变发电机的结构完整性评估

2018/4/26    来源:互联网    作者: JENNIFER SEGUI
关键字: 偏滤器 核聚变发电机 数值仿真
偏滤器是一种小型核聚变设备,能将全尺寸反应堆的功率压缩到研发试验台中。MIT等离子体科学与核聚变中心的研究人员使用数值仿真来计算并优化高级偏滤器实验的设计提案。

太阳内部时时刻刻在发生核聚变,在氢原子核发生聚变形成更大的氦原子的过程中释放出大量辐射能,并伴随着质量的损耗。尽管地球与太阳之间的平均距离约为9300万英里(约合1.50亿公里),我们还是能在地球上以太阳光的形式观察到这种能量。

50多年来,国际社会一直致力于研究将氢聚变作为一种清洁、安全、取之不竭的能源的可行性。在麻省理工学院(MIT),通过极高磁场的方法来实现聚变是一个重要的研究方向。MIT的等离子体科学与聚变中心(Plasma Science and Fusion Center,PSFC)研究人员正在结合实验、前沿理论和数值仿真来确认及理解相关科学原理和技术,希望能加速聚变能的开发。

高级偏滤器实验(ADX)是一种核聚变实验,更具体地说,它是由PSFC的研究人员提出的一种托卡马克实验,用于短周期等离子体放电提供聚变反应堆的热通量、密度和温度(见图1)。

MIT PSFC的ADX托卡马克设计提案示意图

图1 MIT PSFC的ADX托卡马克设计提案示意图

图注:Toroidal Field Coils–环向场线圈;Cover Plate–盖板;Poloidal Field Coils–极向场线圈;Plasma–等离子体;Vacuum Vessel–真空容器;Dome–圆形凸面;Inner Launch RF Antennas–内部视频发射天线。

托卡马克装置内的温度将超过1.5亿摄氏度,会造成电子从原子核脱离,从而使气态氢燃料形成全电离的超高温等离子体。堆芯等离子体维持在一个环形或甜甜圈形状的真空容器中,保持高压,以便生成带有较高碰撞率的稠密等离子体。外部磁场对等离子体的限制和控制,类似于强引力场对太阳内核的影响,因此会产生核聚变。

"高温超导体领域最新的一些进展使我们能设计出一个可以在更高磁场下工作的托卡马克装置,将等离子的性能提升到反应堆级。"PSFC的机械工程师Jeffrey Doody解释说,"研究重点随即从改进等离子体的性能转为托卡马克装置内的支持系统。""

Doody和他的同事正在借助数值仿真设计ADX的结构,希望能维持反应堆级的热通量和磁场,以便将它打造为功率排气系统和等离子体-材料相互作用的试验台,来支持下一阶段聚变设备的开发。

对抗等离子体破坏

ADX真空容器的设计提案非常具有创新性,它没有采用之前的单个柱体设计,而是由五个呈轴对称的单独壳体构成,如图2所示。这种模组设计能选出合适的电磁线圈,用于测试不同的偏滤器配置,其中,功率排气系统中的偏滤器组件用于从托卡马克装置中移除聚变灰烬。当离子逃离等离子体控制磁场的限制后,偏滤器将对其进行收集并将它们导出容器。

ADX真空腔的设计很独特,由五个焊接在一起的单独壳体组成

图2 ADX真空腔的设计很独特,由五个焊接在一起的单独壳体组成

模组容器不仅要承受发生核聚变时所需的高热通量和磁场,还要能承受等离子体破裂,这是等离子体发生塌缩时真空容器壳体内的另一个应力源。

"为了评估ADX容器的设计,我们在COMSOL Multiphysics®中执行了一个数值仿真,用于预测磁场、涡电流以及由等离子体破裂产生的洛伦兹力。"Doody解释说,"然后将计算得到的载荷施加在容器的单个结构模型中,以便预测应力和位移。"图3为ADX循环对称磁场模型的几何结构,包括容器、等离子体和极向电磁线圈,负责将等离子体保持在平衡位置上。

模型的几何结构(左),用于确定ADX真空腔壁中的涡电流(右)

图3 模型的几何结构(左),用于确定ADX真空腔壁中的涡电流(右)

图注:Vacuum–真空;Air–空气;Plasma–等离子体;Vessel–容器;Poloidal Field Coils–极向场线圈。

等离子体会携带150万安培的电流向上漂移,在10毫秒后停止移动,并在1毫秒内损失所有电流,这是垂直移动现象(VDE)中可能出现的最严重的等离子体破裂情况。破裂的等离子体周围磁场的迅速变化会在真空容器的壳体内产生电涡流。当电涡流通过托卡马克中用于限制等离子体的极向磁场和更强的环向磁场时,会在容器上产生洛伦兹力。

在VDE中,因为电涡流与容器壁非常近,所以电涡流的幅值较大,因此,VDE就是ADX计算模型的测试用例选择。图3展示了从数值模型中计算得到的电涡流分布。他们开发了第二个模型来确定由托卡马克中的环向磁场产生的洛伦兹力,而在第一个ADX模型中只加入了极向磁场。

责任编辑: 程玥
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