《表2 稳态和瞬态热负载条件下各部件的最高温度》

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《ITER偏滤器朗缪尔探针的设计与研制进展》

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探针安装在偏滤器靶板瓦侧面直接暴露在等离子体下，因此将承受稳态10MW·m?2和瞬态20MW·m?2持续10s的高热负荷。另外，由于ITER运行时采用脱靶或半脱靶模式，很大一部分等离子体的能量将通过光辐射的方式向周围空间传播，这样可以减小面向等离子体部件的热流密度，但偏滤器及其狭缝内的光辐射能量密度将会很高，最高可达4MW·m?2。探针安装在两个相间20mm的偏滤器缝隙之间，所以探针将受到很强的光辐射作用，通过计算可以得到探针整体的光辐射热负荷，并且总的光辐射功率远高于探针顶部等离子轰击的功率。因此，探针的结构设计和部件的连接方式对热负载吸收和热量的传导很重要。如前所述，探针布置于整个偏滤器中，其中打击点位置的热负载最为严重，若打击点附近的探针能够满足使用条件，则其余位置的探针也可以使用。CATIA和ANSYS软件被用于探针的模型设计和热弹塑性结构模拟分析，在确定模拟分析边界条件后，可得到探针的温度和应力分布。探针和偏滤器靶板瓦在稳态工况下的温度分布如图8所示，最高温度是1533°C在偏滤器靶板瓦顶部靠近探针的一侧，钨探针和钨屏蔽结构的最高温度分别是1173°C和1404°C，氧化铝陶瓷的最高温度是643°C。10MW·m?2和20MW·m?2热负荷条件下的各部件最高温度的简单总结列于表2中。对应于相应的温度场，初步的结构分析结果如图9所示，图9a是模型整体的应力分布，图9b是探针体的应力分布，图9c是陶瓷的应力分布。图9中的应力结果显示钨探针和钨屏蔽结构的应力没有超过钨材料的屈服强度，处在弹性应变区域。在氧化铝陶瓷的顶部，有非常小的一部分区域出现了应力集中现象，但最大拉应力小于陶瓷材料的抗拉强度。总体来讲，探针在10MW·m?2稳态热负荷条件下可以使用。但在20MW·m?2瞬态热负荷条件下，陶瓷有应力集中现象，且应力超过了使用强度，有开裂或损坏的风险。后期将从结构优化，陶瓷材料选择和实际的连接工艺来解决结构风险问题。