Využití software Ansys při vývoji tokamaku COMPASS-U

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.

Logo_IPP.png

Zadání projektu

Ústav fyziky plazmatu AV ČR provozuje od r. 2006 tokamak COMPASS s maximálním toroidálním polem Bt = 1,6 T a proudem plazmatu Ip = 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 Rmaj = 0,89 m), magnetickým polem Bt = 5 T a proudem plazmatu Ip = 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

C-U_overview_.png

 

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

EM_VV_1.pngEM_VV_2.pngEM_VV_3.png

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

EM_POL_1.pngEM_POL_2.png

 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)

MECH_VV_1.pngMECH_VV_2.pngMECH_VV_3.pngMECH_VV_4.png

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

MECH_SS_1.pngMECH_SS_2.pngMECH_SS_3.png

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

Využívaný software

Ansys Mechanical Enterprise

Ansys Mechanical Enterprise

Program Ansys Mechanical Enterprise je vlajkovou lodí v oblasti strukturálních analýz MKP (FEA).

Ansys Maxwell

Ansys Maxwell

Ansys Maxwell je program pro výpočty v oblasti nízkofrekvenčních elektromagnetických polí.

Další případové studie

Nosná struktura vozidel TATRA

Rychlé a efektivní použití moderního numerického systému Ansys umožňuje velmi rychle reagovat na potřeby zákazníků a…

Simulace experimentů modelujících roztavenou aktivní zónu ve dně tlakové nádoby jaderného reaktoru

Zadržení roztavené aktivní zóny ve dně nádoby tlakovodního jaderného reaktoru (IVR, In-Vessel Retention) je jedna z…

Proudění vzduchu v brzdovém posilovači

Na základě známých vlastností sériových posilovačů byly vybrány dva reprezentativní vzorky s různým vnitřním…