复杂电磁环境下托卡马克第一壁导电结构的动力学响应研究

As the key parts of the plasma facing components, the tokamak first wall structures' work performance directly affects the operation security of the tokamak device.However, the study of the dynamic response of the first wall structuresonly just begins for a few years internationally, and the understanding about the mechanism of the dynamic response is still scarce. As far as we know, for the first wall structures, which are conductive structures and placed in the complex magnetic field environment of the plasma confinement region, the dagerouse situation appears when the plasma vertical displacement event occurs, at which time the induced Halo currents and eddy currents will bring about huge transient electromagnetic loads on the first wall. The project is committed to study the following content, using the theoretical and numerical methods: 1, to investigate the propagation of longitudinal wave under in-plane impact loading, and the propagation of the bending wave under the transverse impact loading as well as the coupling effect of the two kinds of waves, which may lead to spallation of the structures; 2,to study the following vibration, buckling, and other possible unstable modes of the sturctures and the correspondingthreshold. Through the research, we aim to reveal the mechanism of the dynamic response of the tokamak first wall structure under the complex electromagnetic impact loading, to understand the different stages of the dynamic response,the evolution process of these stages, and hence the possible failure modes, especially comparing with the quasi-static structural bahavior. The research will provide a theoretical basis and numerical methods for the design of the first wall structuresfor the future fusion reactor which havingbetter anti-impact performance.

作为直接面对高温等离子体的关键部件，托卡马克第一壁的工作性能直接影响装置运行安全性，而有关其结构冲击特性的研究国内外才刚刚起步，缺乏对其动力响应机理的深入认识。从现有认知看，在等离子体约束区域这一复杂磁场环境下，对于第一壁这种全导电结构，以发生垂直位移事件时引发的Halo电流和感应涡流引起的瞬态电磁载荷对结构的危害最大。本项目致力于针对该事件产生的电磁载荷，采用理论和数值方法：1、考察结构在面内冲击载荷下的纵波、横向冲击载荷下的弯曲波传播过程以及两种波的复合效应对结构早期响应的影响及可能导致的层裂现象；2、考察结构在响应中后期振动模态、屈曲及其它可能出现的失稳模式及其阈值。通过研究，揭示托卡马克第一壁结构在复杂电磁环境冲击载荷下不同阶段的动态响应规律及各阶段模态演化过程，以及由此可能产生的破坏模式，特别是与准静态响应不同的独特行为，为未来聚变堆抗冲击第一壁结构设计提供理论依据和数值平台。

作为直接面对高温等离子体的关键部件，托卡马克第一壁的工作性能直接影响装置运行安全性。在已结题项目的支持下，我们对超导托卡马克装置中的第一壁导电结构，运用理论和数值研究方法，通过建立相应的结构动力学响应模型，研究了其在发生等离子体破裂（MD）和垂直位移事件（VDE）时瞬态电磁冲击载荷下的动力学响应问题，完成的研究包括：（1）针对第一壁部件复杂结构，建立了包含了所有主要第一壁部件的完整真空室三维有限元模型；（2）结合EAST装置的实验测量数据分析，采用已建立的电磁有限元模型，对发生MD、VDE时感应电流及HALO电流在第一壁结构上电磁响应进行了系统分析，得到了发生MD、VDE等过程中第一壁结构上的感应电流分布及其随时间的变化规律等；（3）在得到了电磁载荷的基础上，分析了发生MD、VDE时，第一壁结构在感应电流和HALO电流导致的电磁力作用下结构的动态响应，得到了复杂电磁环境下第一壁各部件的受力模式、幅值等随空间和时间的变化规律；（4）根据前面的分析结果，专门对大环方向电联通的第一壁结构进行了详细的电磁及结构响应理论研究。分析发现，不同的第一壁结构上感应电流分布差异很大，由此导致的电磁力及力矩引发了不同的力学响应模式，主要的结论有：（1）发生MD和VDE时，第一壁结构中仅高场侧板上的感应电流呈现大环方向联通的分布特点，其他均呈现独立环流分布，尽管如此，由于高场侧板上的感应电流从支撑流入流出时在板边缘呈竖直方向流向，在强大的环向场作用下，高场侧板边缘的电磁力仍呈现垂直于板的一对径向力力偶模式；（2）发生MD时，EAST第一壁结构以高场侧板上的总感应电流幅值最大，远远超过了真空室的总感应电流，由此导致的电磁力及力矩非常大，且由于垂直方向磁场随时间变化发生反向，高场侧板受到先拉后压的径向力作用；（3）发生VDE时，第一壁部件中最大应力出现在被动板与偏滤器靶板的支撑部位；与MD时受力以垂直于板的径向力为主不同，高场侧板主要受到平行于板的垂直方向电磁力；（4）VDE结束时，HALO电流导致的电磁力在偏滤器靶板支撑处幅值最大；（5）第一壁部件中，高场侧板与偏滤器靶板支撑是需要重点防护的。在已结题项目的支持下，我们还建立了一系列用于Tokamak装置电磁及结构响应研究的工程有限元方法，并把DINA等离子体模拟程序引入电磁有限元计算中。