Institute of plasma physics

Tokamak je v současné době nejpokročilejším konceptem pro praktickou realizaci řízené jaderné fúze pro výrobu energie v pozemských podmínkách. Jedná se o zařízení, které využívá silného magnetického pole pro udržení horkého ionizovaného plynu – plazmatu – o teplotě řádově stovek miliónů stupňů tak, aby nedošlo k jeho kontaktu s materiálovou stěnou. Takto vysoké teploty jsou v pozemských podmínkách nutné pro uskutečnění fúzních reakcí.

Zadání projektu

Ústav fyziky plazmatu AV ČR provozuje od r. 2006 tokamak COMPASS s maximálním toroidálním polem B_t = 1,6 T a proudem plazmatu I_p = 400 kA, který svými výsledky úspěšně přispívá mezinárodnímu fúznímu výzkumu. V r. 2018 byly zahájeny práce na konstrukci tokamaku COMPASS-U s rozměry o cca 50% většími (hlavní poloměr R_maj = 0,89 m), magnetickým polem B_t= 5 T a proudem plazmatu I_p = 2 MA, jehož parametry umožní významně rozšířit experimentální prostor a jehož výsledky tak budou využity pro mezinárodní fúzní projekty ITER a DEMO.

Společnost: Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i.

Autor reference: Mgr. Jakub Hromádka

Řešení úlohy

Oblasti vývojového procesu tokamaku COMPASS-U, ve kterých nachází uplatnění výpočty pomocí programů Ansys:

• Centrální solenoid
  • Ansys Maxwell – výpočty rozložení elektromagnetických sil v cívkách centrálního solenoidu pro vybrané provozní stavy tokamaku
  • Ansys Mechanical – termomechanické výpočty pro mechanický design centrálního solenoidu: optimalizace rozměrů vodiče cívek centrálního solenoidu a optimalizace tvaru chladících kanálů ve vodiči pro minimalizaci mechanického napětí při provozu tokamaku, výpočet nutného axiálního předpětí centrálního solenoidu
• Vakuová komora
  • Ansys Maxwell – výpočty elektromagnetických sil působících na vakuovou komoru během disrupcí plazmatu očekávaných při provozu tokamaku COMPASS-U
  • Ansys Mechanical – pevnostní výpočty pro mechanický design vakuové komory (VV): optimalizace tvaru a tloušťky stěny VV, dimenzování uchycení VV, návrh plátů pro pasivní stabilizaci plazmatu, návrh diagnostických portů
• Cívky toroidálního pole
  • Ansys Maxwell – výpočty elektromagnetických sil působících na cívky toroidálního pole (TF), optimalizace rozložení proudové hustoty v oblasti kluzného spoje TF cívek
  • Ansys Mechanical – ověření mechanického designu TF cívek: optimalizace tvaru TF cívek, dimenzování kluzných a šroubovaných spojů TF cívek, návrh vyztužení jádra TF cívek
• Nosná konstrukce
  • Ansys Maxwell – výpočty elektromagnetických sil působících na cívky tokamaku pro vybrané zatěžovací stavy
  • Ansys Mechanical – pevnostní výpočty pro mechanický design nosné konstrukce pro uchycení centrálního solenoidu, vakuové komory a cívek toroidálního a poloidálního pole

Závěr

Využití programů společnosti Ansys nachází při vývoji tokamaku COMPASS-U široké uplatnění. Elektromagnetické řešiče jsou využívány pro výpočty rozložení magnetického pole v okolí jednotlivých cívek tokamaku, proudové hustoty v částech protékaných elektrickým proudem a následného silového zatížení těchto částí. Mechanické výpočty jsou využívány pro ověření konstrukce jednotlivých částí z hlediska mechanické pevnosti a návrhu jejich dimenzování.

 Výsledky výpočtů

Proudy indukované při disrupci plazmatu v symetrické 1/8 vakuové komory s pasivním stabilizačním plátem

 Cívky centrálního solenoidu a poloidálního pole s průřezem plazmatu (vlevo) a poloidální magnetické pole pro vybraný rovnovážný stav plazmatu (plazma ve tvaru D o vysoké triangularitě) - 2D řez oblastí vakuové komory (vpravo)

Mechanické napětí ve vakuové komoře a pasivních stabilizačních plátech tokamaku COMPASS-U při zatížení elektromagnetickými silami vzniklými při disrupci plazmatu

Mechanické napětí v cívkách tokamaku COMPASS-U a jeho nosné konstrukci při vybraném zatěžovacím stavu (disrupce plazmatu na konci stacionární fáze výboje)