国际热核聚变实验堆过渡馈线设计与分析

国际热核聚变实验堆计划实施第一阶段建设任务在法国南部城市卡达拉舍，ITER的建设用地已经准备妥当，ITER的建设将于今年开工。

（图片提供：《科学》）在地球上，用科学手段人为实现太阳中心发生的核聚变，以生产清洁的理想能源是人类的梦想，也是人类面临的最大的科学和技术挑战之一。

因此，耗资巨大的国际合作项目——国际热核聚变实验堆（ITER）计划（也被称为“人造太阳”计划）仅仅从提出到启动，就花费了整整15年的时间。

据最新出版的《科学》杂志报道，今年6月底，ITER合作伙伴在日本御津市召开了ITER 半年度会议，包括中国政府在内的七方政府达成协议，同意关于ITER建设的修改方案，正式实施该项目第一阶段的建设，让工程技术人员能尽早检查出技术上的错误。

首先，一个精简、朴素的反应堆将于2018年前生产出超热氢等离子体；然后，逐渐加入其他组分，在2026年底制造出能量生产源——氘和氚离子束，这比预先的计划推迟了18个月到2年的时间。

在计划于今年11月召开的另一个会议上，成员国还将对项目的设计方案、成本和日程安排进行最终审核和批准。

ITER聚变科学和技术部门的执行主任大卫·坎贝尔说：“我们在前进中学习，时间安排是有些推迟，但这是我们第一次做这样的事。

”人类能否模仿太阳和其他恒星产生能量的过程，研制可受控的核聚变反应装置，为世界提供资源消耗少、环境污染小的新能量？国际热核聚变实验堆ITER计划是一次尝试和努力，它的目的就是研制一个可以自持燃烧的托卡马克可控核聚变实验装置，验证热核聚变反应技术的科学性、工程可靠性、运行可靠性和商业开发的可行性。

聚变能：人类理想能源的新希望资料显示，世界能源的来源有三大种类：自然能源，包括水能、风能和太阳能等，这些能源的供应受自然条件和时空的限制；化石能源，如煤、石油、天然气等，这些能源的供应在消耗大量自然资源的同时还会造成环境污染，形成温室气体；核能，包括裂变能和聚变能。

从资源、安全性和处理高放射性核废料三方面综合考虑，裂变堆会产生高放射性核废料，因此，裂变能被确定为“补充能源”。

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
国际热核聚变反应堆馈线系统线圈终端盒冷屏热性能分析
及实验研究
线圈终端盒是保证国际热核聚变实验堆装置可靠运行的关键部件之一, 为磁体系统与低温车间、电源大厅、数据采集系统和低温控制元件提供4.5K 的超低温工作环境。

线圈终端盒内设有80K 冷屏,以吸收室温环境对其内部工作空间带来的辐射热负荷。

本文首先根据传热学原理对线圈终端盒冷屏热性能进行理论分析,确定了冷屏的结构型式,然后再对线圈终端盒冷屏结构建模,利用有限元流固体耦合分析软件FLUENT 进行了数值模拟仿真分析,最后以设计分析结果为依据制作1∶1 线圈终端盒整体实验系统进行实验验证,并对实验数据和数值模拟结果进行了分析比较,结果非常吻合,为下一轮冷屏结构的设计及大规模生产提供了可靠的依据。

国际热核聚变实验堆(
线圈终端盒CTB (Coil Terminal Box) 是
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端盒冷屏热性能分析及实验研究
3.2、讨论
由于CTB 冷屏内部电流引线及其它部件已经提前降温至100K 以下,且要继续降温至4.5K,CTB 冷屏的温度下降很快。

但由于通氮气后不到1h 时,通气管道密封破损漏气,经维修后恢复正常,因此这个时段温度曲线有波折,但随后的整个实验过程一切正常。

尽管数值分析结果显示7 号位置点的温度最高,而理论分析也应该是7 号点温度最高。

但由于电流引线的温度从前至后是从4.5K 逐渐过渡到65K 的,对其周围冷屏势必造成一定的影响,因此使得处在电流引线高温段外围。

国际热核聚变实验堆计划（国际热核聚变实验堆计划（ITER ITER ITER）
）2006年11月，中、欧、美、俄、印、日、韩七方代表签署了国际热核聚变实验堆计划（ITER）联合实施协定。

这也是迄今我国唯一以平等伙伴身份加入的国际大科学工程。

ITER 设计总聚变功率达到50万千瓦，是一个电站规模的实验反应堆，其目标是在和平利用聚变能的基础上，探索聚变在科学和工程技术上的可行性。

ITER 计划的实施分四个阶段，其中建造期10年，总费用约为50亿欧元；运行期20年，总费用约50亿欧元。

2007年2月，国务院批准设立“ITER 计划专项”。

2007年8月，全国人大常委会审议通过了《组织协定》和《特豁协定》。

2008年10月，中国国内机构-中国国际核聚变能源计划执行中心成立。

科技部积极参与了ITER 的规则制定，选派管理和技术人员赴ITER 总部工作，迄今签署了5个采购安排协议。

中方严格按照国际惯例，认真履行承诺和义务、实现了项目管理上的创新、多边双边相互促进上的创新、国内外协调合作上的创新。

有关ITER 计划及中国参与ITER 计划的详细资料可参见：,/。

2006年用户年会论文国际热核聚变实验堆ITER磁体过渡馈线的结构设计王建青，宋云涛，武松涛，张远斌（中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031）[ 摘要 ] 国际热核聚变实验堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）是正在进行的一项大型国际合作项目。

磁体过渡馈线是保证磁体正常工作的重要通道。

本文对磁体过渡馈线系统各组件结构进行了详细设计，利用有限元软件对结构作了初步分析和结构优化。

结果表明：现有结构完全满足设计要求；通过对现有结构进行优化，如增设横向筋板、L型加强板，简化超导busbar的弯曲结构等，可以节约材料、降低成本。

[ 关键词]ITER；过渡馈线；有限元分析；优化Structural Design of Cryostat Feedthrough forITER magnetWANG Jian-qing, SONG Yun-tao, WU Song-tao, ZHANG Yuan-bin（Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences，Hefei，230031）[ Abstract ] International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) is an unprecedented International collaboration program. Magnet cryostat feedthroughs are the channels that ensure thenormal operation of magnet. The structures of cryostat feedthrough (CF) components havebeen designed and analyzed and optimized by means of the FEM software in this paper.The results showed the structures satisfy the design requirement and the optimized methodsare reasonable.[ Keywords ] ITER；Cryostat Feedthrough；FEA；Optimization1前言国际热核聚变实验堆（International Thermal-nuclear Experimental Reactor，简称ITER）是正在进行的一项大型国际合作项目，其目标是建造一个可自持燃烧的托卡马克聚变实验堆，以验证热核聚变反应堆的工程可行性，并对实际应用核聚变能时所需的各种要素进行试验[1]。

核聚变反应堆设计及安全性评价核能作为一种清洁、高效的能源形式，一直被人们广泛关注。

与核裂变不同，核聚变是通过将轻元素融合成重元素释放能量的过程，是太阳和恒星的主要能源源泉。

核聚变反应堆作为实现人工核聚变的关键设施，其设计与安全性评价极为重要。

核聚变反应堆的设计是实现核聚变反应的关键。

核聚变反应堆主要包括聚变等离子体环境的建立和维持、核反应产生的高能中子的吸收和控制、反应堆冷却剂和结构材料的选择等部分。

首先，聚变反应堆需要建立一个稳定可控的等离子体环境。

由于反应中涉及到高温高压等极端条件，反应堆内的等离子体必须处于高能稳态。

为实现这一目标，可采用多种手段，如加热等离子体、对等离子体进行电磁约束以及真空条件下的等离子体维持等。

其次，针对核反应产生的高能中子，需要进行吸收和控制。

这是一个重要的安全性问题，因为高能中子对反应堆的材料和冷却剂都会产生辐射损伤，并对设备的安全运行造成威胁。

为了有效控制中子的放射性，可以采用中子吸收材料，如锂、硼等，降低中子的能量和密度。

最后，反应堆的冷却剂和结构材料的选择也是设计中的关键问题。

冷却剂的选择要考虑到其导热性能、辐射抵抗性和化学稳定性等因素。

常见的冷却剂包括液态金属如锂铅合金和氦等气体。

而结构材料方面，也需要具备较高的辐射抵抗性和热性能。

目前，研究人员主要关注的是石墨和陶瓷等材料，它们具备较好的耐辐射性和高温稳定性。

除了设计之外，核聚变反应堆的安全性评价也是至关重要的环节。

安全评价的目标是评估并确保核反应堆在正常工作和异常情况下的安全性能。

安全性评价包括从设计过程中的相关参数出发，通过数值模拟、实验验证和统计分析等手段，对反应堆的热力、结构和辐射等方面进行全面评估。

首先，针对核聚变反应堆的热力学问题，需要评估反应堆在正常运行时的温度、压力和热流等参数是否在可控的范围内。

这将直接关系到反应堆整体的热力学平衡和冷却剂的稳定性。

其次，对反应堆结构的力学性能也需要进行评估。

ITER超导磁体结构冷却馈线的设计和实验研究的开
题报告
一、选题背景及意义
ITER国际热核聚变实验堆作为目前世界上最大的磁约束聚变装置，其磁场系统采用了超导磁体技术，作为其核心部件，其性能对于实验的
成功具有至关重要的作用。

其中，超导磁体的结构冷却馈线是保障磁体
正常工作和延长使用寿命的关键技术之一。

目前，虽然该技术已经得到
了广泛的研究和应用，但面对着磁体制造过程中存在的诸多问题和实际
工作中所需求的更高性能，尚有许多值得研究和完善的地方。

因此，本论文旨在通过对ITER超导磁体结构冷却馈线的设计和实验研究，探索其基本性能和应用前景，为ITER磁场系统的进一步完善提供一定的理论和实验基础。

二、研究内容和方法
1. 结构冷却馈线的设计
根据ITER超导磁体的实际制造需求和运行条件，本文将综合考虑其电气性能、结构强度、引线的热力学稳定性以及安全可靠性等多重因素，进行结构冷却馈线的设计和优化，旨在制造出更加稳定、可靠且性能更
好的馈线样品。

2. 实验研究及性能分析
通过对馈线样品进行实验研究，本文将重点关注其电气性能、冷却
性能以及机械性能等指标，通过实验数据的获取和分析，得出结论并给
出合理的建议和方案。

三、预期成果及意义
本文主要预期通过对ITER超导磁体结构冷却馈线的设计和实验研究，得出相关的数据和结论，并在此基础上给出更合理、可行的方案和改进
措施。

同时，进一步深化和完善超导磁体技术的应用，提升其性能和可
靠度，为ITER磁场系统的进一步开发和改进提供一定的参考和建议，也将对相关领域的研究和应用产生长远的意义和影响。

国际热核聚变实验堆（ITER）的关键技术国际热核聚变实验堆（ITER）是目前全球最大的热核聚变实验项目，旨在验证热核聚变作为未来清洁能源的可行性。

作为一个复杂而庞大的工程项目，ITER的成功离不开多项关键技术的支持。

本文将重点介绍ITER的关键技术，并探讨其在实验堆建设中的重要性。

一、超导磁体技术超导磁体是ITER实验堆中最重要的组成部分之一，用于产生强大的磁场来约束等离子体。

ITER实验堆的磁场强度达到了20特斯拉，是目前任何其他磁体都无法达到的水平。

超导磁体技术的关键在于制备高温超导材料，并将其应用于磁体的设计和制造中。

高温超导材料具有零电阻和强大的电磁场承受能力，能够在极低温下工作，从而实现高强度的磁场。

二、等离子体控制技术等离子体控制是ITER实验堆中的另一个关键技术。

等离子体是热核聚变反应的核心，其稳定性和控制性对于实验的成功至关重要。

等离子体控制技术主要包括等离子体加热、等离子体注入和等离子体外部磁场控制等方面。

通过加热等离子体，可以提高其温度和能量，从而促进聚变反应的发生。

等离子体注入则可以调节等离子体的密度和成分，以实现更好的控制效果。

外部磁场控制则可以调整等离子体的形状和位置，以保持其稳定性。

三、真空技术真空技术是ITER实验堆中的基础技术之一，用于创造一个适合热核聚变反应进行的环境。

在ITER实验堆中，真空环境的要求非常高，需要达到超高真空的水平。

真空技术的关键在于设计和制造高性能的真空容器，并采取有效的真空泵系统来维持真空环境。

同时，还需要考虑到等离子体对真空容器的影响，以避免等离子体与容器壁发生相互作用。

四、材料技术材料技术在ITER实验堆中起着至关重要的作用。

由于热核聚变反应的高温和高能量特性，实验堆中的材料需要具备良好的耐热、耐辐照和耐腐蚀性能。

此外，材料还需要具备良好的机械性能和热传导性能，以满足实验堆的工作要求。

目前，ITER实验堆中主要采用的材料是铁素体钢和碳纤维复合材料，这些材料在高温和辐照环境下表现出良好的性能。