避免聚变反应堆过热

作者:Julien Hillairet,射频研发工程师;Zhaoxi Chen,机械研发工程师;Jonathan Gerardin,热传递研发工程师;以及Marie-Hélène Aumeunier,法国Cadarache的法国替代能源与原子能委员会(CEA)光学研发工程师

核聚变是太阳的能量来源,拥有无限潜力,能为地球带来源源不断的清洁、安全的能源。核聚变发电是长期追求的目标,研发核聚变能源的可靠系统极具优势,值得我们为之努力。法国原子能委员会的工程师正在使用ANSYS软件克服保护工作温度约1.5亿度的聚变反应堆组件的所面临的困难和挑战。工程师采用ANSYS的电磁和结构仿真技术模拟组件在极大热负载下的情况;采用ANSYS流体动力学软件设计冷却系统;采用ANSYS光学仿真技术校正红外测温系统,工程师能准确识别直接热通量(纯粹因反射导致的热通量)造成的光斑。

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fusion reactor

“在单个天线原型成本达数百万欧元的情况下,对于可作为潜在能源的核聚变技术的研发而言,精准仿真至关重要。”

通过聚变反应进行发电,热等离子体需要保持在极高温度下。CEA的钨极(W)实验超导托卡马克装置(EST)反应堆团队使用数米长、半米宽以及数吨重的天线将数兆瓦功率的高能射频(RF)放射波注入到等离子体中,以保持等离子体的温度。这些天线极为靠近热等离子体,因而CEA使用ANSYS多物理场仿真软件设计能够耐受热应力的天线,设计的天线可在由等离子体热通量、电阻产热和射频反射产生的热应力环境下工作。ANSYS软件能对面向等离子体组件的红外测量进行仿真,确保测量的准确性。此外,CEA通过仿真提升这些天线的射频性能,同时降低天线成本和所需原型数量,最终节省了数百万欧元。

pressure distribution simulation

ANSYS Fluent仿真来显示水冷电路中的压力分布。

 

天线设计挑战

等离子体是将电子从原子剥离后的一种物质状态,该状态下的电子和离子可自由运动。由于等离子体具有导电性,在通电后会产热,与辐射加热器的作用相似。等离子体的电阻率会随温度上升而下降,利用等离子体的特性能使温度上升到数千万度,但我们实际需要的温度更高。为了让温度再升高一个级别,CEA的研发设备WEST(稳态托卡马克钨极[W]环境)可向等离子体注入高功率射频波。等离子体会对天线辐射高强度的热负载,负载平均达数万瓦每平方米(kW/m2),最热的区域达数兆瓦每平方米(MW/m2),因此必须通过内部水循环管道对天线进行冷却,才能将最高温度限制在几百摄氏度以内。此外,兆瓦级的射频还会因天线电阻损耗而产生额外的热通量,而且其中一些射频会从等离子体反射回天线。另外,天线也必须承受因等离子体约束突然丧失而产生的机械负荷。这种现象称为大破裂,发生在等离子不稳定时。出现这种情况时,等离子体中循环的电流会在10毫秒或更短时间内从数百万安培陡降至零,这会给面向等离子的组件(例如天线)施加一个巨大的机械扭矩。

fusion reactor antenna simulation

50MHz天线产生的磁场的ANSYS HFSS模型

 

fusion reactor antenna EM simulation

HFSS仿真体现50MHz天线上的欧姆损耗。

 

antenna temperature

ANSYS Mechanical simulation shows temperature distribution plotted on the antenna with all thermal loading sources taken into account.

 

热载荷仿真

CEA工程师使用ANSYS HFSS优化天线的RF设计, 不仅能最大限度提高从天线向等离子体传递能量的效率,同时还可为后续的热应力分析预测电阻负载。辐射介质的建模比较复杂,因为磁性等离子体是非均质性物质,其密度和温度由外到内逐渐升高,在频域和空间域上均呈现为非线性。在靠近天线的等离子体边缘处,等离子体可能与回旋介质的性质近似,会随着准静态磁场的作用而发生相应变化。在CEA和国际热核聚变实验反应堆计划组织(ITER)的要求下,一个由多国合作的实验聚变反应堆正式开始建设。ANSYS加强了HFSS支持复杂回旋介质的能力,使HFSS可以为面向天线的等离子体边缘建模。

天线上的热负载包括电阻损耗、等离子体产生的热通量、以及从等离子体反射回天线的RF。通过此前的物理实验和物理模型可以确定等离子体热通量和反射的RF功率。工程师利用HFSS计算前文提到的电阻损耗。穿过冷却通道的流体流动和热传递进行优化。ANSYS Mechanical有限元分析(FEA)软件不仅将所有热负载考虑在内,而且还能计算天线各个点的温度。随后,ANSYS Mechanical再将温度场转换成热应力,然后将热应力与机械应力进行叠加(尤其是大破裂事件产生的扭矩),进而确定整个天线承受的应力和产生的挠度。采用ANSYS Mechanical进行疲劳分析,可确定推荐设计的使用寿命,尤其大破裂事件的发生。

electric field simulation

3.7GHz天线内的ANSYS HFSS电场仿真。将RF功率从图的右侧注入并流向图的左侧。可将该功率先分为三路(垂直向),然后再分为六路(水平向),并在注入等离子体前进行相移。

 

聚变发电

聚变发电是理想的能源,燃料为氢同位素(例如能从海水中提取的氘,能从反应堆里产生的氚),即不会产生温室气体,也不会产生除反应堆容器本身之外的放射性废料。在发电功率相似的条件下,它比风力发电或太阳能发电的占地要小得多,而且能全天候发电。但若要产生能够控制的聚变反应,就需要将氢同位素(氘和氚)加热到1.5亿度以上,此时它们成为等离子体。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。在这样的高温下,氘和氚通过聚变形成氦,并释放出一个中子和大量能量。维持这样的高温需要使用超导电磁产生的磁场约束等离子体。

仿真红外测量

天线及面向等离子体表面组件所承受的热负载取决于众多因素,这些因素无法全部由提前仿真来确定。所以,我们可使用红外(IR)摄像头来监测天线的表面温度,这样就能在这些昂贵的组件被损坏前安全地关断等离子体,因此验证这些温度测量值的准确性至关重要。例如,IR系统需要有能力检测微小的热点和温度梯度。托卡马克装置的金属环境具有非常强的反射性,因而来自高温区域的多重反射将会干扰表面温度热信号的评估,进而导致测量值不准确。如果温度测量值偏高,那么可能导致不必要的反应堆关闭,而关闭的代价高昂。相反,如果温度被测量值偏低,那么容器中的组件就有被损坏的风险。

fusion reactor antenna

等离子体电流驱动天线
图片来自:C. Roux, R. Volpe, CEA

 

optical simulation

ANSYS SPEOS仿真(右)与聚变反应堆(左)的IR图像吻合良好

 

为了应对这些挑战,CEA使用ANSYS SPEOS软件对红外系统的功能进行仿真,以测量天线和反应堆容器其它组件的温度,例如下偏滤器(托卡马克装置中接收来自等离子体最大部分热负载的区域)等。SPEOS可为光子与物质相互作用及其在红外系统中传播的复杂物理现象进行建模。该软件能预测由不同类型材料生成的辐射图像,进而预测材料老化对未来红外线成像的影响。工程师使用SPEOS预测完整红外系统的全局响应,考虑多方因素:所有的红外源、托卡马克装置的3D几何结构,以及由表面双向散射分布函数(BSDF)确定的材料属性。此外,还可将SPEOS用于为红外摄像头建模,如尺寸、波长范围、光谱透射率和像素数量等几何光学属性。通过仿真可确定由不同表面温度形成的实际红外图像,从而便于校准红外系统,提供准确测量值(例如,需校正由于反射造成的虚假热点)。

由于单个天线原型就需耗资数百万欧元,因而对以下方面进行精准仿真对于研发可作为潜在能源的核聚变至关重要,如磁化等离子体和射频天线之间的电磁相互作用、天线的热应力、天线的红外温度测量。随着CEA工程师向现代电厂规模的聚变发电领域进军,ANSYS多物理场仿真软件可帮助他们全面应对这些挑战。获得了如下成果:不仅大幅减少了所需完整天线原型的数量,而且还将设计天线所需的时间从五年缩短至一年。此外,仿真还助力CEA工程师提升天线的性能,同时降低天线的制造成本。

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