Determining stress and strain in a component of a fusion power plant involves defining boundary conditions for the mechanical equilibrium equations, which implies the availability of a full reactor model for defining those conditions. To address this fundamental challenge of reactor design, a finite element method model for the Mega-Ampere Spherical Tokamak Upgrade fusion tokamak, operating at the Culham Campus of UKAEA, has been developed and applied to assess mechanical deformations, strain, and stress in the full tokamak structure, taken as a proxy for a fusion power plant. The model, handling 127 million finite elements using about 800 processors in parallel, illustrates the level of fidelity of structural simulations of a complex nuclear device made possible by the modern supercomputing systems. The model predicts gravitational and atmospheric pressure-induced deformations in broad agreement with observations, and enables computing the spectrum of acoustic vibrations of a tokamak, arising from mechanical disturbances like an earthquake or a plasma disruption. We introduce the notion of the density of stress to characterise the distribution of stress in the entire tokamak structure, and to predict the magnitude and locations of stress concentrations. The model enables defining computational requirements for simulating a whole operating fusion power plant, and provides a digital foundation for the assessment of reactor performance as well as for specifying the relevant materials testing programme.
核融合発電所の構成要素における応力とひずみの決定は、力学的平衡方程式の境界条件を定義することを伴い、これは、それらの条件を定義するための炉全体のモデルが利用可能であることを意味する。この炉設計の根本的な課題に対処するため、UKAEAのカルハムキャンパスで稼働しているMega-Ampere Spherical Tokamak Upgrade核融合トカマクの有限要素法モデルが開発され、核融合発電所の代替として扱われるトカマク全体構造における力学的変形、ひずみ、および応力を評価するために適用された。このモデルは、約800基のプロセッサを並列に使用して127百万個の有限要素を処理し、現代のスーパーコンピューティングシステムによって可能になった複雑な核融合装置の構造シミュレーションの忠実度の水準を示している。このモデルは、重力および大気圧によって誘起される変形を観測と概ね一致して予測し、地震やプラズマディスラプションのような機械的擾乱に起因するトカマクの音響振動のスペクトルを計算することを可能にする。我々は、トカマク構造全体における応力の分布を特徴付け、応力集中の大きさと位置を予測するために、応力密度の概念を導入する。このモデルは、稼働中の核融合発電所全体をシミュレートするための計算要件を定義することを可能にし、炉性能の評価ならびに関連する材料試験プログラムの仕様策定のためのデジタル基盤を提供する。