【摘要】：CFETR CS模型線圈的工程目標(biāo)是采用CFETR裝置原型CS線圈的導(dǎo)體結(jié)構(gòu),設(shè)計滿足最高磁場為12T,磁場最大變化率為1.5T/s,并能符合CFETR超導(dǎo)線圈運行的模型線圈。CS模型線圈采用混合磁體結(jié)構(gòu),其磁體系統(tǒng)包括2個位于高場區(qū)的Nb3Sn線圈和3個位于低場區(qū)的NbTi線圈。磁體系統(tǒng)通過預(yù)緊系統(tǒng)套裝在一起,所有單個線圈之間串聯(lián)連接。CS模型線圈的物理參數(shù)和科學(xué)目標(biāo)與CFETR裝置CS線圈保持一致,CS模型線圈將運行在大電流以及高磁場下,線圈不僅需要滿足物理運行要求,也應(yīng)具有較高的力學(xué)強度。線圈力學(xué)分析及強度評估是線圈設(shè)計的重要研究項目之一,為線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性提供評判依據(jù)。CFETRCS模型線圈采用4.5K的液氦冷卻,液氦通過氦進出口注入線圈繞組內(nèi)部。氦進出口是線圈上應(yīng)力最大的區(qū)域之一,其焊縫為I類焊縫,可借鑒的制造經(jīng)驗不多,其結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制造工藝研究極具挑戰(zhàn)性及現(xiàn)實工程意義。為了驗證CS模型線圈設(shè)計的合理性與工程可實現(xiàn)性,本文針對現(xiàn)有的線圈結(jié)構(gòu),采用2D以及3D有限元模型對其進行了在預(yù)緊力、熱應(yīng)力以及電磁力等作用下的電磁分析、力學(xué)分析以及強度評估。在線圈關(guān)鍵部件氦進出口的研制過程中,分別對氦進出口的結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)評估、焊接工藝、鎧甲上坡口加工工藝以及x射線檢測工藝等進行了相關(guān)的理論分析與實驗研究。根據(jù)線圈的工程目標(biāo)以及初步電磁分析,基于ANSYS對線圈進行了 2D軸對稱模型的電磁分析,校核了電磁設(shè)計參數(shù);基于2D軸對稱模型的力學(xué)分析,對線圈鎧甲、絕緣以及G10部件在電磁載荷作用下進行了力學(xué)評估,其均滿足結(jié)構(gòu)強度要求。基于廣義胡克定律,采用ANSYS軟件建立了計算線圈繞組等效材料屬性的有限元模型,求解了繞組等效材料的楊氏模量、泊松比、剪切模量以及熱膨脹系數(shù),該計算結(jié)果能夠與ITER CS線圈的等效屬性吻合。根據(jù)線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗運行要求,通過3D整體有限元模型分析了線圈預(yù)緊機構(gòu)在安裝態(tài)、低溫態(tài)以及正常運行態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變,并利用應(yīng)力線性化的原理,對線圈預(yù)緊部件進行應(yīng)力評估,其結(jié)果均能滿足強度要求。同時,根據(jù)整體模型計算確定了線圈單根預(yù)緊桿的預(yù)緊載荷。針對線圈的絕緣系統(tǒng)、高場區(qū)跨層導(dǎo)體、線圈終端引線及其支撐等局部結(jié)構(gòu),建立了 3D的有限元局部分析模型,分析了各部件的在線圈不同運行狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變,并基于應(yīng)力線性化原理對各部件進行力學(xué)評估,其結(jié)果均能滿足強度要求。根據(jù)CS模型線圈氦進出口的設(shè)計要求,完成了其結(jié)構(gòu)設(shè)計。基于結(jié)構(gòu)設(shè)計,采用有限元分析方法,完成了氦進出口力學(xué)評估以及尺寸優(yōu)化,驗證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。經(jīng)過大量的研究實驗,確定了氦進出口的焊接技術(shù),并詳細闡述其焊接工藝評定過程。測試了焊縫試驗低溫下的力學(xué)性能。還發(fā)展了鎧甲上氦孔加工技術(shù),并研制了相關(guān)的制造設(shè)備。最后還發(fā)展了氦進出口焊縫的x射線檢測工藝。目前,相關(guān)的工藝研究已成功應(yīng)用于CFETRCS模型線圈氦進出口 mock-up件的制造。
【圖文】：

逑＿通逡逑圖１．１托卡馬克裝置示意圖逡逑托卡馬克裝置的發(fā)展首先從常規(guī)托卡馬克開始，前蘇聯(lián)在６０年代還建設(shè)的逡逑Ｔ－３、Ｔ－４等裝置中的參數(shù)明顯高于當(dāng)時美國仿星器Ｓｔｅｌｌａｒａｔｏｒ－Ｃ裝置。最初的托逡逑卡馬克裝置采用常規(guī)磁體，即采用銅線繞制的磁體來約束等離子體，但由于采用逡逑常規(guī)磁體運行過程中，磁體自身損耗功率將占據(jù)絕大部分聚變裝置的輸出功率，逡逑所以不能滿足建設(shè)聚變堆的基本要求。逡逑Wｆｌｌ＿逡逑Ｋｕｒｃｈａｔｏｖ邋Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９７９＊邋Ｋｕｒｃｈａｔｏｖ邋Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，邋１９８８＾邐｜邋Ｃａｄａｒａｃｈｅ，，邋１９８８＾逡逑ＨＴ－７ｗ邋ＢＨｄＰｍｍｉＨ邐貨０也邐ＫＳＴＡＲ邋？邐？逡逑＿＿壏逡逑圖１．２己建成的采用超導(dǎo)磁體技術(shù)的托卡馬克裝置逡逑１９７９年，全世界首個超導(dǎo)托卡馬克裝置Ｔ－７在前蘇聯(lián)成功建成，這是人類有逡逑史以來首次將超導(dǎo)磁體技術(shù)應(yīng)用在磁約束聚變裝置上，這極大地促進了核聚變能逡逑應(yīng)用的發(fā)展。與常規(guī)托卡馬克裝置相比較，超導(dǎo)托卡馬

ＨＴ－７ｗ邋ＢＨｄＰｍｍｉＨ邐貨０也邐ＫＳＴＡＲ邋？邐？逡逑＿＿壏逡逑圖１．２己建成的采用超導(dǎo)磁體技術(shù)的托卡馬克裝置逡逑１９７９年，全世界首個超導(dǎo)托卡馬克裝置Ｔ－７在前蘇聯(lián)成功建成，這是人類有逡逑史以來首次將超導(dǎo)磁體技術(shù)應(yīng)用在磁約束聚變裝置上，這極大地促進了核聚變能逡逑應(yīng)用的發(fā)展。與常規(guī)托卡馬克裝置相比較，超導(dǎo)托卡馬克有兩個優(yōu)點：載流能力逡逑２逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TL622

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王坤;嵇輝;劉沛航;金環(huán);秦經(jīng)剛;武玉;;CFETR中心螺管模型線圈用316LN異型鎧甲力學(xué)性能研究[J];低溫與超導(dǎo);2016年09期

2 劉沛航;秦經(jīng)剛;戴超;劉勃;;Bi-2212導(dǎo)體用鎧甲316LN鋼力學(xué)性能研究[J];低溫與超導(dǎo);2016年07期

3 汪獻偉;王兆亮;劉小剛;李君君;韓鵬;;CFETR模型線圈引線的力學(xué)分析[J];核聚變與等離子體物理;2016年01期

4 王兆亮;劉小剛;汪獻偉;施毅;武玉;;CFETR CS模型線圈的電磁分析[J];核聚變與等離子體物理;2016年01期

5 李建剛;;托卡馬克研究的現(xiàn)狀及發(fā)展[J];物理;2016年02期

6 許少峰;劉旭峰;;Nb_3Sn超導(dǎo)磁體CICC穩(wěn)定性分析[J];核聚變與等離子體物理;2012年01期

7 金環(huán);武玉;韓奇陽;;ITER TF鎧甲焊縫力學(xué)性能研究[J];低溫物理學(xué)報;2011年01期

8 劉勃;武玉;;ITER超導(dǎo)磁體線圈電磁分析[J];低溫與超導(dǎo);2011年01期

9 劉萬遠;吳維越;曾文彬;杜雙松;;ITER校正場線圈等效材料屬性有限元分析[J];原子能科學(xué)技術(shù);2010年06期

10 劉華軍;武玉;韓奇陽;任志斌;李來風(fēng);;ITER PF導(dǎo)體鎧甲低溫力學(xué)性能研究[J];低溫與超導(dǎo);2009年09期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 郭亮;CFETR CS模型線圈低溫測試平臺的真空室及傳輸線的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

2 劉小川;ITER導(dǎo)體異型鎧甲無損檢測技術(shù)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

本文編號：2606847