HL-3装置环向场线圈热工分析

利用COMSOL Multiphysics软件对HL-3装置环向场线圈(TF)进行了热工水力分析,研究了不同工况下线圈的冷却效率,得到了冷却水的压力、流量及温度分布情况。分析结果表明,TF线圈的冷却时间控制在900s内完全可以满足装置的冷却需求。在140kA和190kA电流的条件下,一次通电周期内线圈的最高温度不会超过80℃,不会对线圈之间的匝间绝缘造成破坏。TF线圈的主要发热集中在中心柱段,在对线圈施加冷却措施下,600s时线圈的温度可以降到较低的范围,900s时可以使线圈得到充分的冷却。线圈内部管道中的冷却水流速控制在2~4m·s^(-1)较为合适,入口压力不宜超过0.45MPa。在必要的情况下,可以将TF线圈的冷却时间减少至600s。

强磁场托卡马克环向场线圈应力缓解研究

针对强磁场托卡马克环向场(TF)线圈应力过大、结构材料难以承受的问题,根据静水应力原理分析了通过外部承压结构来降低TF线圈内腿应力的有效性。采用COMSOL有限元软件开展模拟,研究了液氮冷却强磁场铜导体托卡马克外部承压结构在不同厚度下TF线圈磁体应力的降低程度;对比了铍铜合金和无氧铜作为导体材料所需要的外部承压结构的厚度和体积。

核聚变堆极向场线圈氦冷却管结构设计与优化

【目的】氦冷却管是聚变超导磁体系统的核心部件,承担着超导磁体冷却通道与低温系统的连接,直接关系着超导磁体系统的运行稳定。由于氦冷却管需在装置现场进行焊接,因此氦管结构设计需从功能实现和现场工艺可操作性等多角度综合考虑,提出合理解决方案。【方法】通过综合分析聚变堆极向场结构,开展了低温氦冷却管结构优化及压损评估研究,并从结构力学角度对氦孔尺寸和焊缝倒角优化设计方面进行了全面的对比分析,提出聚变堆磁体氦冷却管设计准则一般要求。结合氦冷却管结构力学分析、压损分析,并综合考虑现场可操作性,提出氦冷却管设计方案,以满足聚变堆磁体氦冷却管要求。【结果】短跑道氦冷却管虽然会导致局部压损增大,局部压损相当于2.7 m长的导体,但与线圈总长相比,其所带来的压损基本可忽略。【结论】采用短跑道型氦管设计方案不仅可以满足功能需求,还可极大提高现场工艺可操作性,可满足聚变堆超导磁体氦冷却管要求。

HL-2M环向场线圈的结构设计

设计了HL-2M环向场线圈基本形状、特殊的指形接头和斜面接头以及馈线、绝缘结构和水冷回路。每个环向场线圈由L形中心段、上弧段和外弧段分别通过指形接头和斜面接头组装成完整的D形线圈。分段可拆卸的D形线圈结构可以使得真空室和单个极向场线圈分别整体吊装到环向场线圈内侧。单根引线和双回线的馈线结构既能节省装置空间,又能降低杂散磁场。TF线圈匝间绝缘500V,对地绝缘30k V。采用软焊在线圈旁侧槽内的铜管对线圈进行水冷以带走线圈放电产生的焦耳热。

HL-2M环向场线圈匝间剪切应力分析

介绍了HL-2M环向场线圈的基本结构设计及其承受的电磁载荷,分析了水平预加载、中心柱预应力筒以及环向抗扭支撑对线圈匝间剪切应力的影响。结果表明,水平预加载及预应力筒在中心柱内产生的压应力有利于提高中心柱的抗扭刚度;环向支撑刚度增加可减小线圈的面内剪切应力。在正常运行工况下,环向场线圈的最大匝间剪切应力小于8MPa,其结构设计满足线圈强度要求。对于大破裂瞬态事件,匝间最大剪切应力约12MPa,接近绝缘材料的剪切疲劳极限,建议采取破裂抑制措施避免该情况发生。

HL-2M装置环向场线圈的工程研制与调试

介绍了HL-2M装置环向场(TF)线圈的工程设计、关键制造工艺及其调试结果。目前,TF线圈最大通电电流达到42kA,对应TF线圈产生的磁场为0.66T,满足HL-2M装置初始放电需求。

HL-2M环向场线圈水冷数值模拟与分析

建立了环向场线圈的水冷计算模型,根据热传导和对流换热方程进行了数值模拟分析。计算结果表明:指形接头与铜板的界面接触热阻和接触电阻对指形接头的温升影响较大,但在平顶电流为140k A及其电流平顶7s时,由焦耳热引起的最高温升40℃以下,故环向场线圈的温度均不会超过80℃,且15min后TF线圈温度均降至30℃以下。在平顶电流为190k A时,线圈通电持续时间可根据界面实测接触热阻、接触电阻以及线圈初始温度来确定。

HL-2M环向场线圈电磁场和受力的计算分析

在建的HL-2M装置的环向场线圈采用了比特板式结构,介绍了采用封闭多边形电流丝模型计算分析HL-2M装置环向场线圈电磁场和纹波情况;环向场线圈电流与环向场引起的电磁力以及与极向场产生的倾覆力也做了计算。计算结果对环向场线圈的设计具有一定的参考意义。

HL-2M装置极向场线圈的结构设计与制造

介绍了HL-2M装置极向场(PF)线圈的结构设计和制造。16饼PF线圈布置在环向场(TF)线圈空腔之内、真空室外,沿中平面对称分布。PF线圈采用中空矩形铜导体绕制,其中PF1~PF4线圈为双层螺旋绕制结构,最大运行电流14.5kA;PF5~PF8线圈为多层盘式绕制结构,最大运行电流38~42kA。

HL-2M装置环向场线圈导体材料的选择和制造

为利于HL-2M真空室(VV)及极向场线圈(PFC)的整体安装,环向场线圈(TFC)采用比特板式结构,这种结构需要用到高强度高导电性能的大尺寸异形铜合金厚板以便满足线圈复杂受力的要求。通过应力分析,确定了在TFC上使用的3种铜合金。介绍了大尺寸异形铜合金板材的制造工艺和铜板多项性能的测试结果,结果表明异形铜合金板材的尺寸及各项性能均满足了HL-2M装置环向场线圈的工程设计及加工要求。

HL-2M装置极向场线圈大截面铜导体的制造工艺研究

介绍了HL-2M装置极向场线圈所需的大截面外方内圆铜导体的规格,用二辊周期式轧管机进行冷轧的工艺技术以及所做的多项检测。用这个技术制造了具有冷却水孔道的大截面外方内圆铜管。测试结果表明,该工艺生产的外方内圆铜管在尺寸及各项性能上均满足HL-2M托卡马克装置极向场线圈的加工要求。

HL-2M极向场线圈电磁力的计算分析

在建的HL-2M装置的PF线圈采用了混合式结构。在放电过程中,线圈之间有很强的电磁耦合,每一个线圈都会受到很大电磁力的作用。采用解析法,在最大Ip=3MA等离子体电流和各种位形的放电条件下,计算分析了PF线圈受到的电磁力。这些计算结果对PF线圈及其支撑结构的设计都是具有参考价值的。

HL-2M装置环向场线圈匝间绝缘工艺研究

为研究HL-2M装置环向场线圈的匝间的绝缘,利用拉伸剪切试验研究了浸胶玻璃毡布和环氧玻璃坯布在不同的压力作用下热烘焙固化后与铜板的粘接性能。结果表明,在不同结构组合和不同压力下,热烘焙固化后的匝间绝缘与铜板的粘接性能存在一定差异。HL-2M装置环向场线圈的匝间绝缘选取了浸胶玻璃毡布和环氧玻璃坯布间隔组合的结构,在8MPa压力下进行热烘焙固化,绝缘层与铜板的静态粘接强度达到24MPa,动态疲劳粘接强度与剪切试验循环次数有关。

HL-2A极向场线圈系统的优化设计

通过对原 ASDEX极向场线圈系统进行改造 ,优化设计出 HL- 2 A极向场线圈系统 ,模拟计算了磁场位形演化并估算了伏秒消耗。改造后的极向场线圈系统能够形成 80 0 k A的等离子体电流 ,并能产生拉长截面的等离子体偏滤器位形。分析了改造后的极向场线圈系统的电磁特性 ,计算了单零、双零及 D形限制器三种等离子体平衡位形。

HL-2M极向场线圈支撑结构分析评估

基于二维轴对称模型分析了极向场(TF)线圈在单零(SN)、双零(DN)、雪花(SF)和鼎位形下的电磁响应,并评估了4种位形极限工况下支撑的力学性能。分析表明,PF6线圈在放电初始时刻所受垂直电磁力最大,可达到1.9MN。在放电平顶结束时PF5线圈所受电磁力最大。在鼎位形下,PF5L电磁力可达2.6MN;雪花和双零位形下,可达到2.06MN。在这样极端的运行工况下,结构力学计算结果表明PF线圈支撑结构出现了局部塑性变形。采用ASMEVIII.2作为评判准则,对局部高应力区进行评估,评估表明结构不存在塑性塌陷和局部失效。而在上端主辐梁内侧支撑墩位置,螺栓所受轴力最大,需施加大于50kN的预紧力。

中国氦冷固态TBM对ITER环向场线圈能量沉积的影响

基于国际热核实验堆(ITER)的Alite模型和中国氦冷固态陶瓷试验包层模块(CN HCCB TBM),对装载了CN HCCB TBM后ITER装置的环向场线圈(TFC)的能量沉积的分布和CN HCCB TBM对能量沉积的影响进行了计算分析。结果表明,放入CN HCCB TBM会使TFC能量沉积减小了3%左右,不会使TFC能量沉积情况恶化;TFC能量沉积主要位于内侧的14个扇区,TFC包壳和超导材料的功率密度的最大值低于限值,满足要求。

ITER极向场线圈PF4维修区域停堆剂量率分析

根据国际热核聚变实验堆ITER设计标准,ITER极向场线圈(PF Coils)的人工检测和连接维修任务的制定,需要确保维修过程中工人所受到的辐射剂量水平不超过剂量限值。基于ITER中子学基准模型B-lite,利用二步法停堆剂量计算方法,在大型集成中子学计算分析系统VisualBUS和HENDL数据库支持下,计算并分析了三种维修方案下PF4维修区域内的停堆光子剂量场分布,以分析降低维修工人辐射剂量水平的有效措施。结果表明,与推迟维修工人进入:PF4维修区域时间相比,采用临时屏蔽的措施更能显著降低PF4维修区域内的辐射剂量水平,建议后续采用临时屏蔽措施。

HL-2M环向场线圈预紧系统设计

针对HL-2M装置可拆卸的环向场(TF)线圈结构,在“D”形TF线圈外侧上、下两端分别采用水平的预紧机构对TF线圈实施预紧,使TF线圈在大电流承受较大电磁力的情况下,与TF线圈连接螺栓的预应力一起保证连接面不发生分离。由于同步性和一致性的要求,该系统采用液压同步顶升机构,并且采用压力传感器实时检测该预应力值,保证TF线圈在整个放电实验阶段的安全,为HL-2M装置整体的安全提供保障。

HL-2M装置环向场线圈中心轴倾角测量方法

通过测量HL-2M装置环向场线圈指形接头及斜面接头上的若干个点的空间坐标,利用点到平面的距离最小二乘原则,对环向场线圈的外轮廓平面进行拟合。再利用各外轮廓平面与中心轴的空间位置关系,求解得出环向场线圈中心轴倾角。通过简化模型及数值模拟求解出在不同的空间点坐标测量标准差情况下的中心轴倾角。在空间点三维坐标低测量标准差的情况下(σ=0.05mm),拟合求得倾角的相对误差为0.10‰,相对标准偏差为1.21‰。

HL-2M环向场线圈的紧固件设计

针对HL-2M环向场线圈的紧固件的作用和力学性能要求,设计了各不相同的紧固件结构形式,并对各部件的材料、尺寸、螺纹形式、螺母型式、垫片型式、螺套型式等细节进行了相应的研究和选择。对膨胀螺栓的阴阳膨胀套结构进行了相应的模拟分析计算,并进行了相应的实验来验证膨胀螺栓结构的合理性。