本文選題：CICC導(dǎo)體 + 節(jié)距　； 參考：《蘭州大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】："國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃"是目前全球最大、影響最深遠的國際科技合作項目之一。該計劃旨在驗證磁約束受控核聚變反應(yīng)堆的科學(xué)性與技術(shù)可行性,通過由CICC(Cable in Conduit Conductor)導(dǎo)體繞制而成的托克馬克裝置產(chǎn)生強磁場,將上億攝氏度的高溫等離子體約束在磁籠內(nèi)誘發(fā)可控熱核聚變。2014年ITER組織磁體部門負責人Devred教授指出當前ITER用CICC導(dǎo)體主要面臨三大挑戰(zhàn):1,CICC導(dǎo)體制備過程中普遍存在電纜穿管退扭問題,伴隨著電纜節(jié)距增加引起交流損耗的增大,這將嚴重影響CICC導(dǎo)體電流輸運特性及穩(wěn)定性。2,CICC導(dǎo)體短樣在熱-電磁循環(huán)載荷作用下分流溫度隨循環(huán)加載次數(shù)的增加表現(xiàn)出退化行為,這就意味著按照目前這種設(shè)計方式,ITER僅能運行數(shù)千次,遠低于原計劃的3萬次,這加劇了人們對ITER工程的擔憂。3,高性能超導(dǎo)股線研發(fā)與接頭制備。我們知道,托克馬克裝置中心場與環(huán)向場螺線管CICC超導(dǎo)電纜是由Nb3Sn超導(dǎo)股線經(jīng)多級絞扭而成。而已有的研究表明Nb3Sn超導(dǎo)性能對力學(xué)變形極為敏感。因此,研究超導(dǎo)電纜的等效力學(xué)參數(shù)及其在多場作用下的力學(xué)行為是實現(xiàn)托克馬克磁體系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性設(shè)計的基礎(chǔ)。本文針對超導(dǎo)電纜等效力學(xué)參數(shù)、穿管過程中的電纜退扭行為、熱-電磁靜載荷作用下的超導(dǎo)股線屈曲行為以及熱-電磁循環(huán)載荷作用下的分流溫度退化等關(guān)鍵科學(xué)問題開展實驗與理論研究。本文主要研究內(nèi)容如下:首先,基于細桿理論對一級子纜軸向拉伸時的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進行了分析,建立了一級子纜軸向拉伸剛度模型。受限于絞線制備工藝,股線間通常存在間隙以及殘余扭轉(zhuǎn)變形。針對這兩種情形下的一級纜拉伸剛度分別建立了彈簧模型及修正的細桿理論模型,兩種模型理論計算結(jié)果與實驗測試結(jié)果吻合良好。自行設(shè)計并完成絞線熱膨脹系數(shù)高精度測試系統(tǒng),對碳纖維絞線與凱夫拉絞線軸向熱膨脹系數(shù)進行實驗測試,得到絞線節(jié)距對軸向熱膨脹系數(shù)的影響規(guī)律。隨后在細桿理論的基礎(chǔ)上引入熱應(yīng)變,建立了理想絞線結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)預(yù)測模型,理論計算與實驗結(jié)果相一致。最后在一級纜理論基礎(chǔ)上建立了二級纜拉伸剛度與熱膨脹系數(shù)理論模型。其次,針對CICC導(dǎo)體制備過程中電纜穿管退扭問題進行了研究。首先建立了瓣纜在包扎作用下的彎曲剛度模型以及超導(dǎo)電纜拉伸退扭理論模型。接著與電纜拉伸退扭實驗測試結(jié)果進行對比,驗證了理論模型的準確性。隨后分別討論了材料剛度、包扎力、疊包率、放線張力以及穿管牽引力等參數(shù)對瓣纜彎曲剛度以及整纜退扭量的影響,并給出了CICC導(dǎo)體退扭角隨軸向牽引力的變化規(guī)律。再次,針對CICC導(dǎo)體在熱-電磁靜載荷作用下超導(dǎo)股線屈曲現(xiàn)象進行了理論分析,研究了包扎參數(shù)、摩擦系數(shù)、絞線節(jié)距對超導(dǎo)股線屈曲臨界值的影響。計算結(jié)果顯示節(jié)距是決定超導(dǎo)股線屈曲行為的關(guān)鍵,節(jié)距越小屈曲越難以發(fā)生;增加包扎率與包扎剛度可減小超導(dǎo)股線屈曲概率。此外增加股線表面摩擦系數(shù)也可以增加股線穩(wěn)定性,同時也是增強超導(dǎo)電纜整體剛度的有效手段之一。最后,建立了CICC導(dǎo)體在熱-電磁循環(huán)載荷作用下分流溫度退化行為理論預(yù)測模型。在揭示了超導(dǎo)電纜橫向壓縮應(yīng)變與軸向伸長變形之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的基礎(chǔ)上,研究了電纜軸向壓縮剛度與表面摩擦系數(shù)對超導(dǎo)電纜在熱-電磁循環(huán)載荷作用下軸向壓縮應(yīng)變的影響。隨后引入超導(dǎo)電纜軸向應(yīng)變與分流溫度關(guān)系,給出分流溫度隨電磁循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。計算結(jié)果顯示超導(dǎo)電纜的剛度對分流溫度變化起決定性作用,即剛度越大電纜的軸向壓縮應(yīng)變越小,相應(yīng)的分流溫度退化量越小。此外,SULTAN測試裝置的高低磁場分布特征是造成短節(jié)距CS導(dǎo)體分流溫度上升的關(guān)鍵。以上理論預(yù)測結(jié)果均與SULTAN裝置實驗結(jié)果吻合良好。
[Abstract]:The experimental and theoretical research is carried out in this paper , which is based on the analysis of the stress and strain state of the magnetic confinement controlled nuclear fusion reactor . The results show that the current ITER is very sensitive to mechanical deformation . The calculation results show that the rigidity of the superconducting cable plays a decisive role in the change of the shunt temperature , that is , the smaller the axial compressive strain of the cable , the smaller the corresponding shunt temperature degradation . In addition , the high and low magnetic field distribution characteristics of the SULTAN test device are the key to the rise of the shunt temperature of the short pitch CS conductor . The above theoretical prediction results are in good agreement with the experimental results of the SULTAN device .

【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TL631.24

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本文編號：1736106