【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(jì)滿足最高磁場(chǎng)為12T,磁場(chǎng)最大變化率為1.5T/s,并能符合CFETR超導(dǎo)線圈運(yùn)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(gè)位于高場(chǎng)區(qū)的Nb3Sn線圈和3個(gè)位于低場(chǎng)區(qū)的NbTi線圈。磁體系統(tǒng)通過(guò)預(yù)緊系統(tǒng)套裝在一起,所有單個(gè)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(yùn)行在大電流以及高磁場(chǎng)下,線圈不僅需要滿足物理運(yùn)行要求,也應(yīng)具有較高的力學(xué)強(qiáng)度。線圈力學(xué)分析及強(qiáng)度評(píng)估是線圈設(shè)計(jì)的重要研究項(xiàng)目之一,為線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性提供評(píng)判依據(jù)。CFETRCS模型線圈采用4.5K的液氦冷卻,液氦通過(guò)氦進(jìn)出口注入線圈繞組內(nèi)部。氦進(jìn)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(yàn)不多,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造工藝研究極具挑戰(zhàn)性及現(xiàn)實(shí)工程意義。為了驗(yàn)證CS模型線圈設(shè)計(jì)的合理性與工程可實(shí)現(xiàn)性,本文針對(duì)現(xiàn)有的線圈結(jié)構(gòu),采用2D以及3D有限元模型對(duì)其進(jìn)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(qiáng)度評(píng)估。在線圈關(guān)鍵部件氦進(jìn)出口的研制過(guò)程中,分別對(duì)氦進(jìn)出口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)評(píng)估、焊接工藝、鎧甲上坡口加工工藝以及x射線檢測(cè)工藝等進(jìn)行了相關(guān)的理論分析與實(shí)驗(yàn)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(duì)線圈進(jìn)行了 2D軸對(duì)稱模型的電磁分析,校核了電磁設(shè)計(jì)參數(shù);基于2D軸對(duì)稱模型的力學(xué)分析,對(duì)線圈鎧甲、絕緣以及G10部件在電磁載荷作用下進(jìn)行了力學(xué)評(píng)估,其均滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求�；趶V義胡克定律,采用ANSYS軟件建立了計(jì)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(jì)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(jì)與試驗(yàn)運(yùn)行要求,通過(guò)3D整體有限元模型分析了線圈預(yù)緊機(jī)構(gòu)在安裝態(tài)、低溫態(tài)以及正常運(yùn)行態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變,并利用應(yīng)力線性化的原理,對(duì)線圈預(yù)緊部件進(jìn)行應(yīng)力評(píng)估,其結(jié)果均能滿足強(qiáng)度要求。同時(shí),根據(jù)整體模型計(jì)算確定了線圈單根預(yù)緊桿的預(yù)緊載荷。針對(duì)線圈的絕緣系統(tǒng)、高場(chǎng)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(yùn)行狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變,并基于應(yīng)力線性化原理對(duì)各部件進(jìn)行力學(xué)評(píng)估,其結(jié)果均能滿足強(qiáng)度要求。根據(jù)CS模型線圈氦進(jìn)出口的設(shè)計(jì)要求,完成了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)�；诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用有限元分析方法,完成了氦進(jìn)出口力學(xué)評(píng)估以及尺寸優(yōu)化,驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。經(jīng)過(guò)大量的研究實(shí)驗(yàn),確定了氦進(jìn)出口的焊接技術(shù),并詳細(xì)闡述其焊接工藝評(píng)定過(guò)程。測(cè)試了焊縫試驗(yàn)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(jìn)出口焊縫的x射線檢測(cè)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(jìn)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(kāi)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(shí)美國(guó)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(lái)約束等離子體，但由于采用逡逑常規(guī)磁體運(yùn)行過(guò)程中，磁體自身?yè)p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(gè)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(lái)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(jìn)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(gè)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(lái)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(jìn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)：載流能力逡逑２逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TL622

【參考文獻(xiàn)】

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3 汪獻(xiàn)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

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本文編號(hào)：2606847