ITER水平诊断窗口冷却回路结构设计与流体分析

真空系统 陈长琦 合肥工业大学真空科学技术与装备研究所

  水平诊断窗口位于ITER 装置主机水平窗口, 用于容纳各项等离子体诊断设备, 需要满足水冷、电磁和射线屏蔽等功能的技术要求。基于结构可靠性与加工可行性设计了水平诊断窗口冷却回路, 并采用FLUENT 软件进行传热和流体动力学理论计算, 得到了流体流速、压力和温度分布等数值模拟结果。并通过比较和分析, 优化了结构设计。保证其冷却回路能够平衡窗口框体在受等离子体辐射热时产生的34 kW 热负荷, 阻挡等离子体辐射热对内部诊断设备的影响, 同时降低了加工难度, 为ITER 水平诊断窗口插件的最终设计提供依据。

  国际热核聚变实验反应堆( International Thermonuclear Experimental Reactor, ) 是一个基于托卡马克概念的环形磁体结构。是未来热核聚变从实验走向应用的里程碑, 给人类提供一个深入研究核聚变反应的重要平台。ITER 诊断窗口插件将由中国、欧盟、美国、俄罗斯、印度、日本等参与方以实物形式提供给ITER 国际组织。因为诊断仪器相当于观察等离子体品质的眼睛, 各方都非常重视诊断窗口系统的设计与研究 。其中包括水平诊断窗口冷却回路结构设计和流体动力学与传热分析, 合理的冷却回路结构能阻挡等离子体辐射热对内部诊断设备的影响, 保持合适的温度使诊断设备能够安全有效的运行。

  ITER 装置主机上布置有大量的诊断设备, 这些设备便于适时地远程监测和操纵控制等离子体运行状态。ITER 真空室的上部、赤道面和下部均预留有开口部位, 可以完整地容纳多种类型的诊断设备和监控仪器, 这些开口部位又被称为窗口。水平诊断窗口插件安装在真空室赤道面开口端和第二屏蔽层(Second Closure)之间的间隔带中, 是由不锈钢材料制成的一组高强度、水冷部件集成的框架结构[ 3] , 能够长期高标准稳定工作于超高真空、强辐射的电磁环境下。该窗口内部将集成软X 射线相机、收集汤姆逊散射测量、可见和红外视频测量、氢阿尔法线(HA) 光谱测量四个子诊断系统。内部集成的光学系统对工作环境温度有严格的要求, 必须不断冷却窗口使光学系统工作环境温度保持在合适的范围。水平诊断窗口插件主要有提升法兰、左右侧板、后板和BSM 板( 等离子体主真空室的一部分)及内部诊断模块组成, 图1 是其三维爆炸图。

水平窗口插件3D爆炸图

图1  水平窗口插件3D 爆炸图

3 、总结

  根据ITER 水平诊断窗口插件的结构和功能, 描述了窗口冷却回路结构设计要求并进行结构设计与优化, 通过建立模型, 使用CFD 软件FLUENT 进行流体动力学和传热模拟计算, 得到了流体速度分布、压力分布和窗口框体温度分布。计算结果验证了冷却回路设计的可行性, 并且计算方法和数据可为将来回路结构的进一步优化设计提供依据。