2020年6月30
日本国立自然科学研究所(NINS)国家聚变科学研究所(NIFS)的副教授田村均(Hitoshi Tamura)及其他人首次将拓扑优化技术应用于螺旋聚变反应堆的概念设计，该反应堆旨在演示发电。亚博老虎机网登录
该团队成功地在保持结构强度的同时，将围绕螺旋扭曲线圈的支撑结构的重量减少了约2000吨。
超导线圈是实现磁聚变功率堆的必要条件，在磁聚变功率堆中，等离子体需要受到强磁场的约束。超导线圈是将超导导体缠绕数百次，通过100千安培左右的大电流，产生强磁场。
当磁场作用在电流流过的线圈上时，就会产生电磁力。这种电磁力是如此之大以至于超导线圈本身无法承受这种力。
为了防止引起线圈移动或变形，有必要用一种坚固的材料制成的结构牢固地包围线圈，以支持线圈。这种结构称为线圈支撑结构(见图1)。
到目前为止，螺旋聚变反应堆的线圈支撑结构的重量估计是大型螺旋装置(LHD)的20倍，是国际热核实验反应堆(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)工作的，所以沉重的固体线圈支撑结构也需要冷却到与线圈相同的温度，以保持线圈处于超导状态。
从成本和功耗的角度来看，减少材料的用量是一个亚博网站下载极其重要的问题。在保持支撑线圈的作用的同时，尽量减少线圈支撑结构的总重量。
为了解决这一问题，课题组将“拓扑优化方法”应用到线圈支撑结构的设计中。拓扑优化是一种通过去除不影响结构强度的部分来减小结构体积的分析方法。它相当于从包括拓扑变化在内的各种组合中寻找最优形状。
这种方法有可能创造出传统设计无法想象的形状。由于它在减轻重量和降低成本方面非常有效，如汽车零部件，近年来发展迅速。然而，目前还没有将拓扑优化方法应用于聚变反应堆部件总体设计的实例。
课题组首次将拓扑优化方法应用于某大型复杂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的强度。如果应力大于元件材料的可接受水平，结构就会开始断裂。
应进行结构优化，使应力不超过可接受的水平，减少重量。研究小组详细分析了由于电磁力作用在线圈上，会对线圈支撑结构产生何种程度的应力和变形。
然后对模型进行拓扑优化。在拓扑优化中，将模型划分为许多小区域，计算某一区域被移除时对整体强度的影响程度。
最后，确定了一组可以不受任何影响地删除的区域。通过这种方法，找到了既不影响整体强度又能减轻重量的最佳形状。因此，线圈支撑结构的重量从7800吨成功地减少了约25%。
展望未来，应用拓扑优化方法的聚变反应堆设计研究将取得进一步的进展，并将大大接近聚变反应堆的论证。
本研究结果发表于H. Tamura等。“螺旋聚变反应堆超导磁体系统的拓扑优化”物理学报:会议系列2020年6月1559年。
源：https://www.nins.jp/en/site/eng/