【摘要】：國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)托克馬克是用來限制熱等離子體產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的聚變機(jī)器之一。使用不同的超導(dǎo)磁體,如環(huán)形場(chǎng)(TF)線圈、極向場(chǎng)(PF)線圈和中央螺線管(CS)線圈,可以限制等離子體。這些大型超導(dǎo)磁體是用管道內(nèi)電纜導(dǎo)體(CICC)建造的,其工作電流高達(dá)68kA,工作磁場(chǎng)高達(dá)12T。CICC超導(dǎo)電纜是由各級(jí)子纜逐步絞制而成,這種復(fù)雜的絞扭結(jié)構(gòu)使其具有運(yùn)行穩(wěn)定性高、自支撐性良好、電流輸送能力大、交流損耗小、電熱穩(wěn)定性高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn),但是同時(shí)也導(dǎo)致CICC超導(dǎo)電纜在制備和運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的力學(xué)形變十分嚴(yán)重。因此,CICC超導(dǎo)電纜中各級(jí)子纜的力學(xué)性能研究,有助于進(jìn)行超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)優(yōu)化。本文基于均勻化理論和細(xì)桿理論,在對(duì)一級(jí)子纜等效楊氏模量進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,將等效楊氏模量理論擴(kuò)展到四級(jí)子纜,建立了預(yù)測(cè)CICC超導(dǎo)電纜多級(jí)子纜等效楊氏模量的理論模型;然后分析了纏繞圈數(shù)對(duì)各級(jí)子纜等效楊氏模量的影響;同時(shí)建立了一級(jí)到四級(jí)子纜的有限元模型;將不同纏繞圈數(shù)的各級(jí)子纜等效模量數(shù)值解與理論解進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證理論模型的可靠性;結(jié)果給出了CICC超導(dǎo)電纜各級(jí)子纜的等效楊氏模量隨纏繞圈數(shù)的變化規(guī)律,為合理設(shè)計(jì)纏繞模式提供了依據(jù)。繼而根據(jù)多層螺旋結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的理論模型,建立了CICC各級(jí)子纜中Nb_3Sn股線最大正應(yīng)力的理論模型,研究了多級(jí)子纜軸向應(yīng)變與股線最大正應(yīng)力的關(guān)系,分析了多級(jí)子纜螺旋角對(duì)股線最大正應(yīng)力的影響。同時(shí)建立了子纜簡(jiǎn)化的有限元梁-殼模型,將各級(jí)子纜中股線最大正應(yīng)力理論解與數(shù)值解對(duì)比,驗(yàn)證理論模型的正確性。研究結(jié)論總結(jié)為:多級(jí)子纜軸向應(yīng)變和股線最大正應(yīng)力近似線性關(guān)系;隨著螺旋角的減小,多級(jí)子纜最大正應(yīng)力逐漸減小。本文采用理論模型與數(shù)值模型相結(jié)合的方式,對(duì)CICC超導(dǎo)電纜中各級(jí)子纜的力學(xué)行為進(jìn)行了基礎(chǔ)性的研究。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TL631.24
【圖文】：

圖 1-1 零電阻效應(yīng)(a)和邁斯納效應(yīng)(b)[1,2]1935年，LondonF和LondonH[3]為了描述超導(dǎo)體性質(zhì)總結(jié)出了了倫敦方程敦方程是根據(jù)牛頓第二定律和麥克斯韋方程提出，并且合理的解釋了超導(dǎo)體斯納效應(yīng)和零電阻現(xiàn)象。1950 年，Landau 和 Ginzburg[4]根據(jù)二級(jí)相變使用數(shù)研究超導(dǎo)相變提出了著名的超導(dǎo)唯象電性 Ginzburg-Landau 方程，通過 論把參量 k 作為分界點(diǎn)將超導(dǎo)材料分為第 I 類和第 II 類兩類超導(dǎo)體。第 I 類體只有一個(gè)臨界磁場(chǎng) ，當(dāng)施加的外部磁場(chǎng)大于臨界磁場(chǎng) ，此時(shí) Meissner完全失效，超導(dǎo)材料恢復(fù)到電阻或正常狀態(tài)其超導(dǎo)性完全喪失。另一方面，I 類超導(dǎo)體有兩個(gè)臨界場(chǎng)值， 和 。施加的外部磁場(chǎng)在 以下時(shí)，超導(dǎo)現(xiàn)出完美的磁通排斥。施加的外部磁場(chǎng)在 以上但在 以下時(shí)，超導(dǎo)體處合態(tài)，發(fā)生部分磁通量穿透，但仍保持超導(dǎo)。施加的外部磁場(chǎng)在比 大一個(gè)級(jí)的 以上，超導(dǎo)性就喪失了。臨界場(chǎng)范圍的增大使得 II 型超導(dǎo)體更適用體應(yīng)用。1957 年，Bardeen、Cooper 和 Schrieffer[5]在聲子和電子作用很弱的下以近自由電子模型為基礎(chǔ)建立了 BCS 理論，超導(dǎo)電流被解釋為 Cooper 對(duì)

蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 CICC 股線等效模量及力學(xué)性能分析氧化物 Ba-La-Cu-O 材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其臨界溫度超過了 30K，使這一發(fā)現(xiàn)如此引人注目的是，陶瓷通常是絕緣體，它們根本不通電。因此，研究人員沒有考慮到它們可能是高溫超導(dǎo)體的候選者。1987 年美國(guó)休斯頓大學(xué)朱經(jīng)武等人和中科院物理所趙忠賢等人[10-11]各自獨(dú)立的制備出臨界溫度超過 90K 的 YBaCuO 陶瓷高溫超導(dǎo)體，這標(biāo)志著超導(dǎo)材料能在液氮溫區(qū)下應(yīng)用，使超導(dǎo)材料能大規(guī)模的應(yīng)用于工程。接著，臨界溫度為 125K 的 Tl-Ba-Ca-Cu-O[12]、臨界溫度為 135K 的Hg-Ba-Ca-Cu-O[13]、臨界溫度為 164K 的 Hg-Ba-Ca-Cu-O[14]等高溫超導(dǎo)材料相繼被人們所發(fā)現(xiàn)。21 世紀(jì)以來，Ksenofontov 等人[15]發(fā)現(xiàn)在極高壓環(huán)境中 H2S 高溫超導(dǎo)體的臨界溫度超過了 200K。Takahashi 和趙忠賢等人[16,17]還在鐵基材料中發(fā)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)。圖 1-2 為超導(dǎo)材料臨界溫度隨時(shí)間變化圖。

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本文編號(hào)：2734648