[发明专利]一种托卡马克聚变堆第一壁热流密度计算方法

说明书

本发明公开了一种托卡马克聚变堆第一壁热流密度计算方法，该方法基于等离子体位形、磁场和第一壁空间分布，建立辐射换热三维计算模型和带电粒子热流密度三维计算模型；其中辐射换热三维计算模型参考托卡马克设计的保守平均热流密度，对等离子体温度进行迭代，得到平均热流密度一致时的第一壁辐射热流密度分布；带电粒子热流密度三维计算模型根据等离子体位形和磁场空间分布建立带电粒子在第一壁上的空间投影，结合最外闭合磁面外的衰减，得到第一壁带电粒子热流密度分布；本发明考虑了第一壁间的辐射换热和空间坐标、磁场分布对热流密度的影响，得到了第一壁热流密度精细计算结果，降低了第一壁换热与结构计算的输入性误差，降低了设计成本。

技术领域

本发明专利涉及托卡马克聚变堆技术领域，具体涉及一种托卡马克聚变堆第一壁热流密度计算方法。

背景技术

托卡马克是一种通过电磁场约束、驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现可控核聚变反应的装置。第一壁是托卡马克聚变反应过程中直接面对等离子体的固体结构。它用于封闭真空室，并吸收等离子体释放的辐射能和部分带电粒子能。

在此背景下，近些年展开了大量的托卡马克聚变堆设计，第一壁作为真空室和包层的重要部件，其表面承受的热流密度是设计过程中的重要边界条件，是第一壁最主要的安全性载荷。但针对第一壁的热流密度计算没有统一的方法，其中辐射热流密度多采用堆芯功率进行估算，并使用均匀载荷加载在第一壁，这种方法忽略了辐射热流密度的空间不均匀性，无法对载荷集中的区域进行重点分析；带电粒子热流密度在计算过程中多采用球形简化，并且由于其结果对三维空间相对位置极其敏感，现有方法缺少对带电粒子在第一壁的准确结果；同时，现有方法缺少对两种第一壁热流密度的耦合计算方法，无法提供完整的热流密度计算结果，计算效率较低，缺乏经济型。

发明内容

为解决上述问题，实现第一壁辐射热流密度和带电粒子热流密度的三维空间精确计算，本发明的目的在于提供一种托卡马克聚变堆第一壁热流密度计算方法，本发明提供了完整有效的托卡马克聚变堆第一壁热流密度计算方法，考虑了第一壁三维空间下与等离子体的相对角度和距离对热流密度的影响，考虑了磁场分布对热流密度的影响，考虑了第一壁间的辐射换热，对第一壁热流密度的空间分布具有更高的精度，降低了第一壁换热与结构计算的输入性误差，降低了设计成本。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种托卡马克聚变堆第一壁热流密度计算方法，该方法基于等离子体位形、磁场空间分布和第一壁空间分布，根据第一壁热流密度来源，分别建立辐射换热三维计算模型和带电粒子热流密度三维计算模型；

辐射换热三维计算模型参考托卡马克聚变堆工程设计的保守平均热流密度，对等离子体温度进行迭代计算，最终得到平均热流密度一致时的第一壁辐射热流密度分布；

带电粒子热流密度三维计算模型根据等离子体位形和磁场空间分布建立带电粒子在第一壁上的空间投影，并考虑带电粒子在最外闭合磁面外的衰减，最终得到第一壁上带电粒子热流密度分布；

该方法计算对象包括第一壁1、等离子体2；其中第一壁1根据托卡马克聚变堆设计进行排布，等离子体2为计算工况下位形的最外闭合磁面；

进行计算时，需已知或能够初步获得以下参数：第一壁材料许用温度T₀、第一壁材料辐射度ε、计算工况下的等离子体位形最外闭合磁面空间坐标、第一壁设计结构及空间坐标、聚变堆第一壁的设计保守平均热流密度Q₀、磁场空间分布B、工况下衰减长度λ_q和最后闭合磁力线平行热流密度q₀。

具体的，本发明方法包括以下步骤：

步骤1，建立辐射换热三维计算模型：根据托卡马克设计中等离子体位形最外闭合磁面空间坐标和第一壁空间坐标建立辐射换热三维计算模型的完整三维结构，根据完整三维结构环向对称性，选取最小重复结构作为计算使用的三维结构；