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, 需要滿足水冷、電磁和射線屏蔽等功能的技術要求�；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 軟件進行傳熱和流體動力學理論計算, 得到了流體流速、壓力和溫度分布等數值模擬結果。并通過比較和分析, 優化了結構設計。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產生的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。
國際熱核聚變實驗反應堆( International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 是一個基于托卡馬克概念的環形磁體結構。ITER 計劃是未來熱核聚變從實驗走向應用的里程碑, 給人類提供一個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、日本等參與方以實物形式提供給ITER 國際組織。因為診斷儀器相當于觀察等離子體品質的眼睛, 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力學與傳熱分析, 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, 這些設備便于適時地遠程監測和操縱控制等離子體運行狀態。ITER 真空室的上部、赤道面和下部均預留有開口部位, 可以完整地容納多種類型的診斷設備和監控儀器, 這些開口部位又被稱為窗口。水平診斷窗口插件安裝在真空室赤道面開口端和第二屏蔽層(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] , 能夠長期高標準穩定工作于超高真空、強輻射的電磁環境下。該窗口內部將集成軟X 射線相機、收集湯姆遜散射測量、可見和紅外視頻測量、氫阿爾法線(HA) 光譜測量四個子診斷系統。內部集成的光學系統對工作環境溫度有嚴格的要求, 必須不斷冷卻窗口使光學系統工作環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行結構設計與優化, 通過建立模型, 使用CFD 軟件FLUENT 進行流體動力學和傳熱模擬計算, 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回路結構的進一步優化設計提供依據。
