CFETR 胀板式杜瓦冷屏的初步设计与热分析

为进一步减少托卡马克装置中超导磁体的热负荷,将胀板结构应用于杜瓦冷屏(CTS)中,代替传统管板式冷屏结构。胀板结构是一种在屏蔽板间形成冷却介质流动的夹层空间结构。选择304LN不锈钢作为CTS材料,选择模压-焊接作为CTS成型方式,选择氦气作为冷却剂。确定了最佳焊点参数及屏蔽板参数。首先根据辐射热原理计算杜瓦冷屏表面热流密度,然后应用流体仿真软件CFX对杜瓦冷屏进行热分析,得到了杜瓦冷屏面板温度及进出口压差。分析表明,胀板式杜瓦冷屏面板的温度分布均匀,相比管板式杜瓦冷屏有显著降低,理论上证明了胀板式杜瓦冷屏结构的优越性。

CFETR杜瓦冷屏初步设计与热分析

选择304LN不锈钢作为冷屏的制作材料,将杜瓦冷屏分为16个扇区,每个扇区由20个子部分组成,在每一个子部分上布置相应的冷却管。选择液氦作为冷却剂。为检验杜瓦冷屏结构是否符合设计要求,分析了杜瓦冷屏的传热方式以及冷却原理,利用FLUENT软件对设计的冷屏结构进行了热分析,得到了杜瓦冷屏面板的温度分布情况以及冷却管道进出口压力差。结果表明,杜瓦冷屏面板温度和冷却管道进出口压力差在合理范围内,验证了冷却管道布局的合理性,为后续杜瓦冷屏的设计提供了重要参考。

国际热核聚变实验堆下杜瓦冷屏安装

国际热核聚变实验堆(ITER)是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。国际热核聚变实验堆装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克,俗称“人造太阳”。下杜瓦冷屏(Lower Cryostat Thermal Shield)是托卡马克杜瓦装置安装的第一个冷屏系统,其作用是在杜瓦底座、真空室等高温部件与超导磁体间建立冷保护屏障。下杜瓦冷屏具有直径大、预组装精度要求高、吊装就位过程间隙小等特点,这些特点对下杜瓦冷屏的预组装与吊装工作提出了非常高的要求。本文结合现场施工过程的实际情况,论述了通过激光跟踪测量以及偏差雷达图确保预组装精度的方法,通过水平度调节以及导向工装安装以保障下杜瓦冷屏吊装安全及精准就位的方法。

ITER极向场线圈过渡馈线冷屏的结构优化与传热耦合分析

国际热核聚变实验堆磁体馈线系统是连接杜瓦内部的磁体线圈和杜瓦外部之间的冷源、电源以及控制系统的重要通道,其主要作用是为磁体线圈供电、冷却和测量控制诊断。本文通过理论传热计算、利用有限元分析软件ANSYS进行热分析和温度-结构耦合分析,对处于特殊低温与真空环境的辐射冷屏进行了结构优化,保证了系统的安全运行,为降低冷屏热应力和4.5 K温区的热负荷、减小整个系统的热漏指明了方向,为下一轮冷屏结构设计提供了可靠的依据。

超导磁体低温恒温器冷屏设计与测试

现有的超导磁体系统中冷源与冷屏的距离较远,为了实现远端冷屏的有效降温,采用液氮为冷却介质,并通过冷源提供的冷量与冷屏热负荷实现冷却介质的热虹吸效应。对冷屏的冷却管路布置进行了有限元分析,预测了冷屏的稳态温度分布情况。冷屏降温测试表明:通过液氮强迫降温,冷屏可快速冷却至80 K,冷源开启后,液氮管路中形成热虹吸效应,可使冷屏系统稳定工作在液氮温区,且冷屏温度均匀,最大温度差不超过1.3 K。在低温恒温器运行过程中,冷却介质可通过自循环保持冷屏温度稳定。

二极铁超导磁体低温恒温器组装测试

依托FRIB二极铁超导磁体样机研制项目,完成磁体低温恒温器系统制作,低温恒温器主要部件有:氦槽(装有两组D型线圈的线圈盒组成)、隔热冷屏、支撑结构、真空腔体、阀箱冷却系统等。磁体系统运行电流为201 A,中心最大磁场达到2 T,线圈使用线径Φ1.14 NbTi超导线,每组线圈的匝数为210匝,束流孔截面空间100 mm*35 mm,弯转角度45度。二极铁超导磁体低温恒温器采用液氦冷却,运行温度为4.2 K,低温液氦挥发的氦气通过阀箱将冷氦气接入冷屏的氦气循环管路对冷屏进行冷却,降低氦槽液氦静态蒸发率。制作过程通过设置专用的绕线工装保证线圈绕制精度,通过杜瓦装配工装保证线圈盒和真空腔的定位精度。二极铁超导磁体低温恒温器支撑结构通过“反拉伸”结构保证强度,同时降低传导漏热,低温下进行磁场中心位置补偿,从而实现磁场中心和束流孔同心度的制作要求。最后对系统进行降温和励磁测试,低温恒温器漏率3×10^(-9)Pa·m^(3)/s,液氦静态蒸发率1.4 L/h,磁场中心和束流孔同心度偏移量为±0.25 mm,达到设计制作要求。

120kJ高温超导储能磁体的研究

阐述了120k J高温超导储能磁体的高温超导带选择及磁体主要参数。为确定120k J高温超导储能磁体绕组的通电方式,比较了30个高温超导双饼线圈两种连接方式在225A电流下的磁场特性。为满足杜瓦强度要求,针对120k J高温超导储能磁体杜瓦开展了结构设计及强度分析,结果表明,杜瓦满足高温超导绕组吊挂对其强度的要求。