瓶中的太阳:核聚变

作者:Lorenzo Giannini Lorenzo Zoboli,意大利罗马国家新技术、 能源与可持续经济发展局(ENEA)核能工程师

太阳与恒星的能量来源于轻原子在极高温度和压力下聚变反应。在地球上重现聚变过程能为满足全球能源需求提供可持续的解决方案,但这需要解决一些极其棘手的技术挑战。意大利国家新技术、能源与可持续经济发展局的工程师正在使用ANSYS Mechanical和ANSYS Space Claim对示范电站项目关键结构的设计进行优化,而该项目产出的聚变能将与现代发电厂产能达到同等规模。

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“ENEA进行的仿真有助于创建结构可靠、成本低廉的聚变动力反应堆,以充分满足未来全球能源需求。”

fusion reactor stresses

TFC与PFC冷却应力

 

聚变能有潜力成为理想能源,其原材料采用廉价又丰富的氢元素,而且很少产生甚至完全不产生排放物或放射性废物。聚变反应堆要求的占地面积远远低于风力或太阳能发电装置,而且能够全天候不间断地发电。但是,要产生可自持的聚合反应,需要将氢同位素(氘和氚)加热到1亿度以上使其变为等离子体。等离子体是一种在太空中很常见、但在地球上很少见的带电气体。氘和氚在高温下发生聚合反应生成氦原子与中子,同时释放大量能量。维持高温需要使用电磁体来约束等离子体,而这种电磁体产生的力足以达到航空母舰四分之三的重量。意大利国家新技术、能源与可持续经济发展局(ENEA)工程师正在采用ANSYS Mechanical设计能约束等离子体的低成本结构装置。

fusion reactor diagram
等离子体容器的示范聚变反应堆示意图
fusion reactor magnetic diagram
等离子磁系统的示范聚变反应堆示意图

全球能源需求的潜在解决方案

在法国南部,国际热核试验堆(ITER)建设已经完成一半,到2040年投入运营后,ITER将会成为全球规模最大的聚变反应堆并且是全球首座可生产净能量以及首座能长期维持聚变的聚变装置 。ITER的设计部门广泛采用ANSYS Mechanical,尤其是在电磁体结构支架的设计过程。

electromagnetic loads on fusion reactor TFC

包含横截面的TFC上电磁荷载

 

同时,新一代示范电站(DEMO)项目也正处于设计过程,此项目的目的是不仅产能达到现代电厂的水平,同时还可为未来的聚变电厂提供原形样板。DEMO反应堆的核心由圆形或环形反应室构成,反应室由强力的超导磁体组成,用于约束等离子体以维持聚变所需的温度。这些磁体由可产生环向(围绕环形室的长路线)磁场的环形场线圈(TFC)、可产生围绕环形室短路线运行的极向场线圈(PFC)以及用于加热等离子体和调整环形室形状的中心螺线管(CS)磁体组成。一个完整的DEMO磁体系统由18个TFC、6个PFC和1个CS组成,其中TFC预计高约17米、宽约13米。

当这些磁体通电时,TFC与PFC结构装置以及外部线圈间结构(OIS)会遭受巨大的力,因此会在环形室外周缠绕一圈OIS,以抵抗突发力。线圈组件受到的最大面内力为10兆牛顿,而最大面外力则达到14兆牛顿,面外力大约为 77,000吨,这一值要高于要尼米兹(Nimitz)级航空母舰排水量的四分之三。

APDL脚本支持PFC与TFC的全面参数化仿真

由于DEMO磁体的几何结构随着项目进展经常进行改进,因而选择使用ANSYS APDL脚本对TFC和PFC进行设计,APDL能够实现磁体几何结构的全参数化。这就便于在将来对磁体尺寸包含外部尺寸和内部参数,如导体尺寸和钢套厚度等进行修改。DEMO磁体属于超导磁体,因此在启动之前需要冷却到4K,而这个过程会产生巨大的热应力。APDL对冷却应力和电磁应力进行耦合仿真,此外APDL可以解决在TFC中插入机械触头所带来的附加难度。

OIS的形状、重量与成本优化

在初始的概念设计过程中,OIS被设计为统一形状,每个支架重达367吨。然而,环形室圆周附近的面外力变化很大,因而ENEA工程师认为,在通过优化消除不必要的材料后可以降低结构装置的高昂成本。由于传统仿真方法是通过手动修改其尺寸,这样一次只能模拟一个设计方案,因而优化这个方面可以节约大量成本。但是,采用传统方法定义相关几何结构以及对每个设计方案进行仿真,所需的时间使得设计优化无法开展。

OIS forces
OIS必须承受高达77,000吨 的巨大可变面外力。
original design
Original OIS design weighs 367 tons
optimized OIS
采用ANSYS拓扑优化器和 ANSYS SpaceClaim优化 后的OIS设计重228吨。

工程师采用了集成了ANSYS Mechanical和ANSYS Workbench平台的ANSYS拓扑优化功能,整个过程即从从开始到迭代完成优化设计都是自动完成,而且还可同时修改OIS的形状与尺寸。他们首先采用ANSYS Mechanical对绕组组件进行仿真,以确定对OIS施加的机械载荷。热负荷并非影响OIS的主要因素,因为它们并不约束超导绕组。工程师不仅定义了OIS在最终设计中必须保持的特性,如外边界和安装面等,而且还明确了优化目标:根据材料特性将应力保持在所指定的最大值内的条件下,最大限度减轻部件的重量。ANSYS拓扑优化器确定了可满足设计要求的最小几何结构。在优化后的OIS成功收敛之后,工程师将拓扑密度分布导入到了ANSYS SpaceClaim Direct Modeler中,然后进行调整,最终设计重量为228吨,比最初的设计轻38%。

ENEA进行的仿真有助于实现结构可靠的低成本聚变动力反应发电堆,以充分满足未来全球能源需求。磁系统材料用量的大幅降低能显著降低电厂的建设成本。使用APDL脚本有助于在未来十年的演进发展过程中对相关设计轻松进行重新优化。

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