水平診斷窗口位于ITER 裝置主機水平窗口, 用于容納各項等離子體診斷設備, 需要滿足水冷、電磁和射線屏蔽等功能的技術(shù)要求。基于結(jié)構(gòu)可靠性與加工可行性設計了水平診斷窗口冷卻回路, 并采用FLUENT 軟件進行傳熱和流體動力學理論計算, 得到了流體流速、壓力和溫度分布等數(shù)值模擬結(jié)果。并通過比較和分析, 優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設計。保證其冷卻回路能夠平衡窗口框體在受等離子體輻射熱時產(chǎn)生的34 kW 熱負荷, 阻擋等離子體輻射熱對內(nèi)部診斷設備的影響, 同時降低了加工難度, 為ITER 水平診斷窗口插件的最終設計提供依據(jù)。

　　國際熱核聚變實驗反應堆( International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 是一個基于托卡馬克概念的環(huán)形磁體結(jié)構(gòu)。ITER 計劃是未來熱核聚變從實驗走向應用的里程碑, 給人類提供一個深入研究核聚變反應的重要平臺。ITER 診斷窗口插件將由中國、歐盟、美國、俄羅斯、印度、日本等參與方以實物形式提供給ITER 國際組織。因為診斷儀器相當于觀察等離子體品質(zhì)的眼睛, 各方都非常重視診斷窗口系統(tǒng)的設計與研究 。其中包括水平診斷窗口冷卻回路結(jié)構(gòu)設計和流體動力學與傳熱分析, 合理的冷卻回路結(jié)構(gòu)能阻擋等離子體輻射熱對內(nèi)部診斷設備的影響, 保持合適的溫度使診斷設備能夠安全有效的運行。

　　ITER 裝置主機上布置有大量的診斷設備, 這些設備便于適時地遠程監(jiān)測和操縱控制等離子體運行狀態(tài)。ITER 真空室的上部、赤道面和下部均預留有開口部位, 可以完整地容納多種類型的診斷設備和監(jiān)控儀器, 這些開口部位又被稱為窗口。水平診斷窗口插件安裝在真空室赤道面開口端和第二屏蔽層(Second Closure)之間的間隔帶中, 是由不銹鋼材料制成的一組高強度、水冷部件集成的框架結(jié)構(gòu)[ 3] , 能夠長期高標準穩(wěn)定工作于超高真空、強輻射的電磁環(huán)境下。該窗口內(nèi)部將集成軟X 射線相機、收集湯姆遜散射測量、可見和紅外視頻測量、氫阿爾法線(HA) 光譜測量四個子診斷系統(tǒng)。內(nèi)部集成的光學系統(tǒng)對工作環(huán)境溫度有嚴格的要求, 必須不斷冷卻窗口使光學系統(tǒng)工作環(huán)境溫度保持在合適的范圍。水平診斷窗口插件主要有提升法蘭、左右側(cè)板、后板和BSM 板( 等離子體主真空室的一部分)及內(nèi)部診斷模塊組成, 圖1 是其三維爆炸圖。

圖1  水平窗口插件3D 爆炸圖

3 、總結(jié)

　　根據(jù)ITER 水平診斷窗口插件的結(jié)構(gòu)和功能, 描述了窗口冷卻回路結(jié)構(gòu)設計要求并進行結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化, 通過建立模型, 使用CFD 軟件FLUENT 進行流體動力學和傳熱模擬計算, 得到了流體速度分布、壓力分布和窗口框體溫度分布。計算結(jié)果驗證了冷卻回路設計的可行性, 并且計算方法和數(shù)據(jù)可為將來回路結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化設計提供依據(jù)。