水平診斷窗口位于ITER 裝置主機(jī)水平窗口, 用于容納各項(xiàng)等離子體診斷設(shè)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(shè)計(jì)了水平診斷窗口冷卻回路, 并采用FLUENT 軟件進(jìn)行傳熱和流體動(dòng)力學(xué)理論計(jì)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(guò)比較和分析, 優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(shí)產(chǎn)生的34 kW 熱負(fù)荷, 阻擋等離子體輻射熱對(duì)內(nèi)部診斷設(shè)備的影響, 同時(shí)降低了加工難度, 為ITER 水平診斷窗口插件的最終設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

　　國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆( International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 是一個(gè)基于托卡馬克概念的環(huán)形磁體結(jié)構(gòu)。ITER 計(jì)劃是未來(lái)熱核聚變從實(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用的里程碑, 給人類提供一個(gè)深入研究核聚變反應(yīng)的重要平臺(tái)。ITER 診斷窗口插件將由中國(guó)、歐盟、美國(guó)、俄羅斯、印度、日本等參與方以實(shí)物形式提供給ITER 國(guó)際組織。因?yàn)樵\斷儀器相當(dāng)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(shè)計(jì)與研究 。其中包括水平診斷窗口冷卻回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流體動(dòng)力學(xué)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(duì)內(nèi)部診斷設(shè)備的影響, 保持合適的溫度使診斷設(shè)備能夠安全有效的運(yùn)行。

　　ITER 裝置主機(jī)上布置有大量的診斷設(shè)備, 這些設(shè)備便于適時(shí)地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和操縱控制等離子體運(yùn)行狀態(tài)。ITER 真空室的上部、赤道面和下部均預(yù)留有開(kāi)口部位, 可以完整地容納多種類型的診斷設(shè)備和監(jiān)控儀器, 這些開(kāi)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(kāi)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(qiáng)度、水冷部件集成的框架結(jié)構(gòu)[ 3] , 能夠長(zhǎng)期高標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定工作于超高真空、強(qiáng)輻射的電磁環(huán)境下。該窗口內(nèi)部將集成軟X 射線相機(jī)、收集湯姆遜散射測(cè)量、可見(jiàn)和紅外視頻測(cè)量、氫阿爾法線(HA) 光譜測(cè)量四個(gè)子診斷系統(tǒng)。內(nèi)部集成的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境溫度有嚴(yán)格的要求, 必須不斷冷卻窗口使光學(xué)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(shè)計(jì)要求并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化, 通過(guò)建立模型, 使用CFD 軟件FLUENT 進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)和傳熱模擬計(jì)算, 得到了流體速度分布、壓力分布和窗口框體溫度分布。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了冷卻回路設(shè)計(jì)的可行性, 并且計(jì)算方法和數(shù)據(jù)可為將來(lái)回路結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。