ITER水平診斷窗口冷卻回路結構設計與流體分析
水平診斷窗口位于ITER 裝置主機水平窗口, 用于容納各項等離子體診斷設備, 需要滿(mǎn)足水冷、電磁和射線(xiàn)屏蔽等功能的技術(shù)要求�；诮Y構可靠性與加工可行性設計了水平診斷窗口冷卻回路, 并采用FLUENT 軟件進(jìn)行傳熱和流體動(dòng)力學(xué)理論計算, 得到了流體流速、壓力和溫度分布等數值模擬結果。并通過(guò)比較和分析, 優(yōu)化了結構設計。保證其冷卻回路能夠平衡窗口框體在受等離子體輻射熱時(shí)產(chǎn)生的34 kW 熱負荷, 阻擋等離子體輻射熱對內部診斷設備的影響, 同時(shí)降低了加工難度, 為ITER 水平診斷窗口插件的最終設計提供依據。
國際熱核聚變實(shí)驗反應堆( International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 是一個(gè)基于托卡馬克概念的環(huán)形磁體結構。ITER 計劃是未來(lái)熱核聚變從實(shí)驗走向應用的里程碑, 給人類(lèi)提供一個(gè)深入研究核聚變反應的重要平臺。ITER 診斷窗口插件將由中國、歐盟、美國、俄羅斯、印度、日本等參與方以實(shí)物形式提供給ITER 國際組織。因為診斷儀器相當于觀(guān)察等離子體品質(zhì)的眼睛, 各方都非常重視診斷窗口系統的設計與研究 。其中包括水平診斷窗口冷卻回路結構設計和流體動(dòng)力學(xué)與傳熱分析, 合理的冷卻回路結構能阻擋等離子體輻射熱對內部診斷設備的影響, 保持合適的溫度使診斷設備能夠安全有效的運行。
ITER 裝置主機上布置有大量的診斷設備, 這些設備便于適時(shí)地遠程監測和操縱控制等離子體運行狀態(tài)。ITER 真空室的上部、赤道面和下部均預留有開(kāi)口部位, 可以完整地容納多種類(lèi)型的診斷設備和監控儀器, 這些開(kāi)口部位又被稱(chēng)為窗口。水平診斷窗口插件安裝在真空室赤道面開(kāi)口端和第二屏蔽層(Second Closure)之間的間隔帶中, 是由不銹鋼材料制成的一組高強度、水冷部件集成的框架結構[ 3] , 能夠長(cháng)期高標準穩定工作于超高真空、強輻射的電磁環(huán)境下。該窗口內部將集成軟X 射線(xiàn)相機、收集湯姆遜散射測量、可見(jiàn)和紅外視頻測量、氫阿爾法線(xiàn)(HA) 光譜測量四個(gè)子診斷系統。內部集成的光學(xué)系統對工作環(huán)境溫度有嚴格的要求, 必須不斷冷卻窗口使光學(xué)系統工作環(huán)境溫度保持在合適的范圍。水平診斷窗口插件主要有提升法蘭、左右側板、后板和BSM 板( 等離子體主真空室的一部分)及內部診斷模塊組成, 圖1 是其三維爆炸圖。
圖1 水平窗口插件3D 爆炸圖
3 、總結
根據ITER 水平診斷窗口插件的結構和功能, 描述了窗口冷卻回路結構設計要求并進(jìn)行結構設計與優(yōu)化, 通過(guò)建立模型, 使用CFD 軟件FLUENT 進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)和傳熱模擬計算, 得到了流體速度分布、壓力分布和窗口框體溫度分布。計算結果驗證了冷卻回路設計的可行性, 并且計算方法和數據可為將來(lái)回路結構的進(jìn)一步優(yōu)化設計提供依據。
