日本NIFS首次将拓扑优化技术用在核聚变反应堆设计以减轻线圈支撑结构重量

日本国家自然科学研究院(NINS)下属的日本国家核聚变科学研究所(NIFS)一课题组首次将拓扑优化技术应用于以示范发电为目的的螺旋式核聚变反应堆概念设计中。该课题组在保持结构强度的前提下,成功实现了螺旋缠绕线圈周围支撑结构减重约2000吨。

超导线圈对于实现磁聚变反应堆是必不可少的,在该反应堆中,需要通过强磁场限制等离子体。该超导线圈由缠绕数百次的超导体制成,线圈通过约100 kA电流产生强磁场。当磁场作用于电流流过的线圈时,就会产生电磁力。这个电磁力非常大,以至于超导线圈本身无法承受这个力。为了防止引起线圈过度移动或变形,需要在线圈周围用坚固的材料制成结构牢牢地支撑线圈。该结构称为线圈支撑结构(图像1)。

日本NIFS首次将拓扑优化技术用在核聚变反应堆设计以减轻核聚变反应堆组件重量
超导线圈由两对螺旋线圈和两组圆形垂直磁场线圈组成。
为了防止线圈因作用在超导线圈上的强电磁力而移动或变形,它由20厘米厚的高强度不锈钢制成的支撑结构牢固地支撑。
这些超导线圈和支撑结构同时被冷却到低温。

到目前为止,据估计,螺旋聚变反应堆线圈支撑结构的重量是大型螺旋装置(LHD)的20倍,是国际热核实验堆(ITER)的1.6倍。此外,由于超导线圈是在低温条件下(零下260摄氏度以下)运行的,为了使线圈保持在超导状态,沉重的实心线圈支撑结构也需要冷却到与线圈相同的温度。从成本和功耗的角度看,减少材料用量是一个极其重要的问题。人们强烈希望在维持线圈作用的同时,尽可能地减轻线圈支撑结构的总重量。为了解决这一问题,研究小组将 “拓扑优化法 “应用于线圈支撑结构设计中。拓扑优化法是一种分析方法,通过删除不影响强度的零件减小结构体积。它相当于从包括拓扑变化在内的各种组合中寻找最佳形状。该方法具有创建基于常规设计无法想象的形状的潜力。由于它在减少汽车零件等重量和成本方面非常有效,因此近年来发展迅速。但是,尚没有将拓扑优化应用于聚变反应堆组件总体设计的示例。

本研究小组首次将拓扑优化方法应用于庞大复杂的聚变反应堆结构的整体设计,以减轻其重量。作用在结构中的应力决定了结构强度。如果应力大于组件材料的可接受水平,则结构开始断裂。应该进行结构优化,以减轻重量,使应力不超过可接受的水平。该研究小组详细分析了由于电磁力作用在线圈上而在线圈支撑结构上将产生何种程度的应力和变形。然后,将拓扑优化应用于模型。在拓扑优化中,将模型划分为许多小区域,并计算出去除某个区域后对整体强度的影响程度。最后,确定可以不受任何影响地去除一组区域。以此方式,找到了不影响整体强度并且减轻了重量的最佳形状。因此,线圈支撑结构的重量从7,800吨成功降低了约25%。

应用拓扑优化获得的核聚变反应堆线圈支撑结构的形状
通过应用拓扑优化获得的核聚变反应堆线圈支撑结构形状(右图)。
左图基于常规设计方法。拓扑优化使传统设计重量从7,800吨减少了约2,000吨。
尽管与常规设计相比,优化后的形状具有许多孔和穿孔,但通过结构分析证实可以保持足够的强度。

未来利用拓扑优化法进行聚变反应堆设计研究将取得进一步进展。

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