ITER水平诊断窗口冷却回路结构设计与流体分析
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, ITER) 是一个基于托卡马克概念的环形磁体结构。ITER 计划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。
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。
