CFETR CS模型线圈力学分析以及氦进出口设计与制造工艺研究

发布时间：2020-03-30 01:52

【摘要】：CFETR CS模型线圈的工程目标是采用CFETR装置原型CS线圈的导体结构,设计满足最高磁场为12T,磁场最大变化率为1.5T/s,并能符合CFETR超导线圈运行的模型线圈。CS模型线圈采用混合磁体结构,其磁体系统包括2个位于高场区的Nb3Sn线圈和3个位于低场区的NbTi线圈。磁体系统通过预紧系统套装在一起,所有单个线圈之间串联连接。CS模型线圈的物理参数和科学目标与CFETR装置CS线圈保持一致,CS模型线圈将运行在大电流以及高磁场下,线圈不仅需要满足物理运行要求,也应具有较高的力学强度。线圈力学分析及强度评估是线圈设计的重要研究项目之一,为线圈的结构设计合理性提供评判依据。CFETRCS模型线圈采用4.5K的液氦冷却,液氦通过氦进出口注入线圈绕组内部。氦进出口是线圈上应力最大的区域之一,其焊缝为I类焊缝,可借鉴的制造经验不多,其结构设计以及制造工艺研究极具挑战性及现实工程意义。为了验证CS模型线圈设计的合理性与工程可实现性,本文针对现有的线圈结构,采用2D以及3D有限元模型对其进行了在预紧力、热应力以及电磁力等作用下的电磁分析、力学分析以及强度评估。在线圈关键部件氦进出口的研制过程中,分别对氦进出口的结构设计、力学评估、焊接工艺、铠甲上坡口加工工艺以及x射线检测工艺等进行了相关的理论分析与实验研究。根据线圈的工程目标以及初步电磁分析,基于ANSYS对线圈进行了 2D轴对称模型的电磁分析,校核了电磁设计参数;基于2D轴对称模型的力学分析,对线圈铠甲、绝缘以及G10部件在电磁载荷作用下进行了力学评估,其均满足结构强度要求。基于广义胡克定律,采用ANSYS软件建立了计算线圈绕组等效材料属性的有限元模型,求解了绕组等效材料的杨氏模量、泊松比、剪切模量以及热膨胀系数,该计算结果能够与ITER CS线圈的等效属性吻合。根据线圈的结构设计与试验运行要求,通过3D整体有限元模型分析了线圈预紧机构在安装态、低温态以及正常运行态下的应力应变,并利用应力线性化的原理,对线圈预紧部件进行应力评估,其结果均能满足强度要求。同时,根据整体模型计算确定了线圈单根预紧杆的预紧载荷。针对线圈的绝缘系统、高场区跨层导体、线圈终端引线及其支撑等局部结构,建立了 3D的有限元局部分析模型,分析了各部件的在线圈不同运行状态下的应力应变,并基于应力线性化原理对各部件进行力学评估,其结果均能满足强度要求。根据CS模型线圈氦进出口的设计要求,完成了其结构设计。基于结构设计,采用有限元分析方法,完成了氦进出口力学评估以及尺寸优化,验证了其结构设计的合理性。经过大量的研究实验,确定了氦进出口的焊接技术,并详细阐述其焊接工艺评定过程。测试了焊缝试验低温下的力学性能。还发展了铠甲上氦孔加工技术,并研制了相关的制造设备。最后还发展了氦进出口焊缝的x射线检测工艺。目前,相关的工艺研究已成功应用于CFETRCS模型线圈氦进出口 mock-up件的制造。
【图文】：

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逑＿通逡逑图１．１托卡马克装置示意图逡逑托卡马克装置的发展首先从常规托卡马克开始，前苏联在６０年代还建设的逡逑Ｔ－３、Ｔ－４等装置中的参数明显高于当时美国仿星器Ｓｔｅｌｌａｒａｔｏｒ－Ｃ装置。最初的托逡逑卡马克装置采用常规磁体，即采用铜线绕制的磁体来约束等离子体，但由于采用逡逑常规磁体运行过程中，磁体自身损耗功率将占据绝大部分聚变装置的输出功率，逡逑所以不能满足建设聚变堆的基本要求。逡逑Wｆｌｌ＿逡逑Ｋｕｒｃｈａｔｏｖ邋Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９７９＊邋Ｋｕｒｃｈａｔｏｖ邋Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，邋１９８８＾逦｜邋Ｃａｄａｒａｃｈｅ，，邋１９８８＾逡逑ＨＴ－７ｗ邋ＢＨｄＰｍｍｉＨ逦货０也逦ＫＳＴＡＲ邋？逦？逡逑＿＿壏逡逑图１．２己建成的采用超导磁体技术的托卡马克装置逡逑１９７９年，全世界首个超导托卡马克装置Ｔ－７在前苏联成功建成，这是人类有逡逑史以来首次将超导磁体技术应用在磁约束聚变装置上，这极大地促进了核聚变能逡逑应用的发展。与常规托卡马克装置相比较，超导托卡马

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ＨＴ－７ｗ邋ＢＨｄＰｍｍｉＨ逦货０也逦ＫＳＴＡＲ邋？逦？逡逑＿＿壏逡逑图１．２己建成的采用超导磁体技术的托卡马克装置逡逑１９７９年，全世界首个超导托卡马克装置Ｔ－７在前苏联成功建成，这是人类有逡逑史以来首次将超导磁体技术应用在磁约束聚变装置上，这极大地促进了核聚变能逡逑应用的发展。与常规托卡马克装置相比较，超导托卡马克有两个优点：载流能力逡逑２逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL622

【参考文献】