中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆(CFETR)是在中國(guó)已經(jīng)具有多個(gè)托卡馬克設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和吸收消化ITER技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)和建造一個(gè)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆,為建造聚變示范堆乃至最終實(shí)現(xiàn)商用的核聚變反應(yīng)堆奠定技術(shù)基礎(chǔ)。中心螺線管(CS)線圈是托卡馬克裝置的重要部件之一,其主要作用是誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子電流以及和PF線圈共同起到等離子體的成形。CFETR的中心螺線管線圈的最高場(chǎng)設(shè)計(jì)目標(biāo)值為12T,運(yùn)行電流約47.65kA,所以必須采用Nb3Sn超導(dǎo)導(dǎo)體。目前我國(guó)在以Nb3Sn為超導(dǎo)導(dǎo)體的大型超導(dǎo)磁體的研制方面經(jīng)驗(yàn)非常匱乏,這對(duì)我們聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)的建造非常不利。設(shè)計(jì)并且制造以Nb3Sn為超導(dǎo)導(dǎo)體的CFETR中心螺線管(CS)模型線圈,對(duì)摸索大型超導(dǎo)磁體的工程設(shè)計(jì),掌握大型磁體制造工藝及線圈繞制方法都具有十分重大的意義。本文運(yùn)用了機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程、力學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元仿真等多種科學(xué)理論進(jìn)行了 CS模型線圈的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析�；陔姶艑W(xué)、傳熱學(xué)及機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等理論,在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展以Nb3Sn材料為超導(dǎo)導(dǎo)體的大尺寸中心螺線管(CS)模型線圈的設(shè)計(jì)工作,為最終的CS模型線圈的制造提供合理的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)CFETRCS模型線圈的物理設(shè)計(jì)目標(biāo)及電磁設(shè)計(jì)結(jié)果,進(jìn)行了線圈繞組的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)CS模型線圈的設(shè)計(jì)目標(biāo),同時(shí)降低線圈的制造成本,線圈被設(shè)計(jì)成混合磁體線圈,內(nèi)側(cè)高場(chǎng)區(qū)采用Nb3Sn導(dǎo)體,外側(cè)低場(chǎng)區(qū)采用NbTi導(dǎo)體。CS模型線圈共有5餅線圈,分別是Nb3Sn內(nèi)線圈和外線圈;NbTi上線圈,NbTi中線圈和NbTi下線圈。同時(shí)對(duì)線圈出線頭、跨接引線、接頭的分布分別進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了 6個(gè)線圈間的接頭,4個(gè)電流進(jìn)出口接頭,共計(jì)10個(gè)接頭�；贏NSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)預(yù)緊機(jī)構(gòu)的預(yù)緊桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得到最優(yōu)的預(yù)緊桿尺寸為M140mm。建立了基于ANSYS超導(dǎo)磁體復(fù)雜三維模型多物理場(chǎng)耦合的分析方法,并采用這種方法分別對(duì)CS模型線圈的預(yù)緊機(jī)構(gòu)部件,出線頭部件、跨接引線部件、出線頭加強(qiáng)板部件、引線及接頭支撐等部件進(jìn)行了三種工況下的應(yīng)力分析及強(qiáng)度評(píng)估,驗(yàn)證了所有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)均滿足設(shè)計(jì)要求。并且進(jìn)行了 CS模型線圈的冷卻He管的布置及其支撐的設(shè)計(jì)。制定了詳細(xì)的CS模型線圈裝配集成方案,并且針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)給出了解決方案。解決了 CS模型線圈測(cè)試大廳吊裝能力不足的問(wèn)題,解決了小間隙定位套裝及裝配過(guò)程中接頭對(duì)接的問(wèn)題,以及解決了狹小空間加載超大預(yù)緊力等一些難點(diǎn)問(wèn)題。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TL622
【部分圖文】：

及地球環(huán)境污染及惡化是人類??社會(huì)面臨的重大問(wèn)題ｍ。地球上除了可在生的能源外可提供能源的物質(zhì)主要有石??油，天然氣，煤炭等。但是這些能源物質(zhì)儲(chǔ)存量都是有限的，而且隨著地球人口??的增多，以及人類壽命的增加，人均可用的能源越來(lái)越少。相關(guān)數(shù)據(jù)表明已探明??的石油可供人類使用５０年，而中國(guó)的儲(chǔ)量只夠使用２０年，天然氣全球儲(chǔ)量只夠??人類使用６５年，而中國(guó)的儲(chǔ)量只夠使用３０年，煤炭能源只夠使用２２０年，而中??國(guó)儲(chǔ)量只夠使用１００年，如圖］．丨所示。??：丨?Ｉ??ｌ?Ｌ?Ｉ?ｋ??圖１．１能源存儲(chǔ)量?圖１．２環(huán)境污染??目前，中國(guó)以煤炭進(jìn)行發(fā)電占據(jù)了發(fā)電能的很大一部分，這對(duì)中國(guó)的生態(tài)環(huán)??境帶來(lái)了巨大的壓力。當(dāng)前，我國(guó)的二氧化碳排放量是世界上最大的國(guó)家［２］。為??了緩解日益嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，國(guó)家也在大力發(fā)展綠色清潔能源，例如太陽(yáng)能，??風(fēng)能，水力能，潮汐能等。但是這些能源對(duì)氣候等自然條件要求比較苛刻，而且??能提供能源的功率不穩(wěn)定，無(wú)法大規(guī)模穩(wěn)定的為電網(wǎng)輸送能源，因此這些能源無(wú)??法徹底解決人類的能源問(wèn)題。所以，對(duì)尋找清潔而穩(wěn)定的能源提出了迫切的要求??［３］。??根據(jù)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和研宄趨勢(shì)來(lái)看，核能是可以解決能源問(wèn)題的一個(gè)重要的??途徑，而核能的產(chǎn)生有聚變和裂變兩種形式。由于用于裂變的主要材料鈾２３５??和鈾２３８的儲(chǔ)量是非常有限的，另一方面裂變過(guò)程中有核泄漏的風(fēng)險(xiǎn)［４】，所以??裂變并不適合作為清潔能源。??而核聚變能是一種被公認(rèn)的清潔能源。因此受控核聚變的研宄成為了各國(guó)關(guān)??注的重大研宄方向［５］。目前人類用于核聚變的主要是氘和氚，而氘是氫的同位素，??１??

上億攝氏度高溫，因此人類利用磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子進(jìn)行約束，使??其約束懸浮在一個(gè)環(huán)形的跑道中，然后進(jìn)行加熱，從而實(shí)現(xiàn)核聚變。目前，托卡??馬克類型的磁約束聚變被認(rèn)為是最有成效且最有希望實(shí)現(xiàn)可控聚變的方式［７＿９］。??１．２托卡馬克研究現(xiàn)狀??托卡馬克（Ｔｏｋａｍａｋ）是由前蘇聯(lián)科學(xué)家阿齊莫維齊等人在２０世紀(jì)５０年代??發(fā)明的。Ｔｏｋａｍａｋ要是由俄文的環(huán)形（ｔｏｒｏｉｄａｌ）、真空室（ｋａｍｅｒａ）、磁（ｍａｇｎｅｔ）、線??圈（ｋｏｔｕｓｈｋａ）的字母縮寫而成。托卡馬克裝置原理示意圖如圖１．３所示，其中磁體??為其最重要的核心部件之一。整個(gè)磁體系統(tǒng)又包括環(huán)向場(chǎng)線圈（ＴＦ），極向場(chǎng)線??圈（ＰＦ），中心螺線管線圈（ＣＳ），校正場(chǎng)線圈（ＣＣ），如圖１．４所示［１Ｄ］，圖１．５??為ＩＴＥＲ托卡馬克的磁體系統(tǒng)。??ＴＦ線圈的主要作用是為等離子體運(yùn)行提供穩(wěn)定的環(huán)向磁場(chǎng)，ＰＦ線圈的主要??作用是確定和控制等離子體的位形，并產(chǎn)生和維持等離子體電流［１｜］。ＣＳ線圈的??主要作用是誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子電流以及和ＰＦ線圈共同起到等離子體的成Ｂ［１２ｌＣＣ??線圈的主要作用是用于補(bǔ)償由于磁體的設(shè)計(jì)、制造、安裝等原因造成的誤差磁場(chǎng)??［１３］??０??；；Ｉ?＊＊?ｓｒ＊０?＾?Ｉ?Ｉ?ｓｓｓ；??Ｉ?Ｉ?ＰｌＡＳＭＡＣＵＷ＆ｆＴ?ＭＫＭｍＣ?ＦＫＬ０１ＭＣ??圖１．３托卡馬克裝置系統(tǒng)示意圖?圖１．４托卡馬克磁體系統(tǒng)??２??

?第１章緒論???圖１．Ｓ?１ＴＥＲ托卡馬克磁體系統(tǒng)??２０世紀(jì)５０年代，前蘇聯(lián)根據(jù)阿齊莫維齊等人建造出了世界上第一臺(tái)托卡馬??克裝置Ｔ－１，其環(huán)向場(chǎng)為１．５護(hù)４］。后續(xù)前蘇聯(lián)分別建造了?Ｔ－３以及ＴＭ－３等托卡??馬克裝置，并且開(kāi)展了等離子體約束相關(guān)的試驗(yàn)研宄，取得了重要的進(jìn)展。隨后??世界多個(gè)國(guó)家前后分別建造了百余個(gè)托卡馬克裝置，開(kāi)展了相關(guān)的研宄工作。其??中主要有，１９８２年美國(guó)建造的ＴＦＴＲ，其大半徑為３．１ｍ，小半徑為０．９６ｍ，環(huán)向??場(chǎng)為６Ｔ［１５］，如圖１．６所示。２０世紀(jì)８０年代歐洲建造的歐洲聯(lián)合環(huán)ＪＥＴ，其大半??徑為２．９６ｍ，小半徑為２．２５ｍ，環(huán)向場(chǎng)為３．５Ｔ［１６］，如圖１．７所示。１９８５年日本??完成了?ＪＴ－６０的建造，后續(xù)在１９９１年被改造升級(jí)為ＪＴ－６０Ｕ，隨后又將其升級(jí)改??造成為超導(dǎo)托卡馬克ＪＴ－６０ＳＡ，其大半徑為２．９６７ｍ，小半徑為１．１８ｍ，環(huán)向場(chǎng)為??２．２５Ｔ［１￣?，如圖１．８所示。隨著人們研宄的深入，常規(guī)托卡馬克己無(wú)法滿足需求，??因而幵始研制超導(dǎo)托卡馬克。法國(guó)于１９８６年建成了?ＴＯＲＥ?ＳＵＰＲＡ超導(dǎo)托卡馬克，??其大半徑為２．３６ｍ，小半徑為０．８ｍ，環(huán)向場(chǎng)為４．５�。郏福�。２００８年韓國(guó)完成了?ＫＳＴＡＲ??的建造并且開(kāi)始運(yùn)行，其環(huán)向場(chǎng)為３．５Ｔ［１９］，ＫＳＴＡＲ是采用Ｎｂ３Ｓｎ超導(dǎo)導(dǎo)體的托??卡馬克裝置，其于２０１０年實(shí)現(xiàn)了?３秒的高約束模連續(xù)放電。??ｍａｍ??圖１．６美國(guó)ＴＦＴＲ裝置?圖１．７歐洲ＪＥＴ裝置??３??
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