【摘要】：CFETR CS模型線圈的工程目標是采用CFETR裝置原型CS線圈的導體結構,設計滿足最高磁場為12T,磁場最大變化率為1.5T/s,并能符合CFETR超導線圈運行的模型線圈。CS模型線圈采用混合磁體結構,其磁體系統(tǒng)包括2個位于高場區(qū)的Nb3Sn線圈和3個位于低場區(qū)的NbTi線圈。磁體系統(tǒng)通過預緊系統(tǒng)套裝在一起,所有單個線圈之間串聯(lián)連接。CS模型線圈的物理參數(shù)和科學目標與CFETR裝置CS線圈保持一致,CS模型線圈將運行在大電流以及高磁場下,線圈不僅需要滿足物理運行要求,也應具有較高的力學強度。線圈力學分析及強度評估是線圈設計的重要研究項目之一,為線圈的結構設計合理性提供評判依據(jù)。CFETRCS模型線圈采用4.5K的液氦冷卻,液氦通過氦進出口注入線圈繞組內(nèi)部。氦進出口是線圈上應力最大的區(qū)域之一,其焊縫為I類焊縫,可借鑒的制造經(jīng)驗不多,其結構設計以及制造工藝研究極具挑戰(zhàn)性及現(xiàn)實工程意義。為了驗證CS模型線圈設計的合理性與工程可實現(xiàn)性,本文針對現(xiàn)有的線圈結構,采用2D以及3D有限元模型對其進行了在預緊力、熱應力以及電磁力等作用下的電磁分析、力學分析以及強度評估。在線圈關鍵部件氦進出口的研制過程中,分別對氦進出口的結構設計、力學評估、焊接工藝、鎧甲上坡口加工工藝以及x射線檢測工藝等進行了相關的理論分析與實驗研究。根據(jù)線圈的工程目標以及初步電磁分析,基于ANSYS對線圈進行了 2D軸對稱模型的電磁分析,校核了電磁設計參數(shù);基于2D軸對稱模型的力學分析,對線圈鎧甲、絕緣以及G10部件在電磁載荷作用下進行了力學評估,其均滿足結構強度要求�；趶V義胡克定律,采用ANSYS軟件建立了計算線圈繞組等效材料屬性的有限元模型,求解了繞組等效材料的楊氏模量、泊松比、剪切模量以及熱膨脹系數(shù),該計算結果能夠與ITER CS線圈的等效屬性吻合。根據(jù)線圈的結構設計與試驗運行要求,通過3D整體有限元模型分析了線圈預緊機構在安裝態(tài)、低溫態(tài)以及正常運行態(tài)下的應力應變,并利用應力線性化的原理,對線圈預緊部件進行應力評估,其結果均能滿足強度要求。同時,根據(jù)整體模型計算確定了線圈單根預緊桿的預緊載荷。針對線圈的絕緣系統(tǒng)、高場區(qū)跨層導體、線圈終端引線及其支撐等局部結構,建立了 3D的有限元局部分析模型,分析了各部件的在線圈不同運行狀態(tài)下的應力應變,并基于應力線性化原理對各部件進行力學評估,其結果均能滿足強度要求。根據(jù)CS模型線圈氦進出口的設計要求,完成了其結構設計�；诮Y構設計,采用有限元分析方法,完成了氦進出口力學評估以及尺寸優(yōu)化,驗證了其結構設計的合理性。經(jīng)過大量的研究實驗,確定了氦進出口的焊接技術,并詳細闡述其焊接工藝評定過程。測試了焊縫試驗低溫下的力學性能。還發(fā)展了鎧甲上氦孔加工技術,并研制了相關的制造設備。最后還發(fā)展了氦進出口焊縫的x射線檢測工藝。目前,相關的工藝研究已成功應用于CFETRCS模型線圈氦進出口 mock-up件的制造。
【圖文】：

逑＿通逡逑圖１．１托卡馬克裝置示意圖逡逑托卡馬克裝置的發(fā)展首先從常規(guī)托卡馬克開始，前蘇聯(lián)在６０年代還建設的逡逑Ｔ－３、Ｔ－４等裝置中的參數(shù)明顯高于當時美國仿星器Ｓｔｅｌｌａｒａｔｏｒ－Ｃ裝置。最初的托逡逑卡馬克裝置采用常規(guī)磁體，即采用銅線繞制的磁體來約束等離子體，但由于采用逡逑常規(guī)磁體運行過程中，磁體自身損耗功率將占據(jù)絕大部分聚變裝置的輸出功率，逡逑所以不能滿足建設聚變堆的基本要求。逡逑Wｆｌｌ＿逡逑Ｋｕｒｃｈａｔｏｖ邋Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９７９＊邋Ｋｕｒｃｈａｔｏｖ邋Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，邋１９８８＾邐｜邋Ｃａｄａｒａｃｈｅ，，邋１９８８＾逡逑ＨＴ－７ｗ邋ＢＨｄＰｍｍｉＨ邐貨０也邐ＫＳＴＡＲ邋？邐？逡逑＿＿壏逡逑圖１．２己建成的采用超導磁體技術的托卡馬克裝置逡逑１９７９年，全世界首個超導托卡馬克裝置Ｔ－７在前蘇聯(lián)成功建成，這是人類有逡逑史以來首次將超導磁體技術應用在磁約束聚變裝置上，這極大地促進了核聚變能逡逑應用的發(fā)展。與常規(guī)托卡馬克裝置相比較，超導托卡馬

ＨＴ－７ｗ邋ＢＨｄＰｍｍｉＨ邐貨０也邐ＫＳＴＡＲ邋？邐？逡逑＿＿壏逡逑圖１．２己建成的采用超導磁體技術的托卡馬克裝置逡逑１９７９年，全世界首個超導托卡馬克裝置Ｔ－７在前蘇聯(lián)成功建成，這是人類有逡逑史以來首次將超導磁體技術應用在磁約束聚變裝置上，這極大地促進了核聚變能逡逑應用的發(fā)展。與常規(guī)托卡馬克裝置相比較，超導托卡馬克有兩個優(yōu)點：載流能力逡逑２逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TL622

【參考文獻】

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2 劉沛航;秦經(jīng)剛;戴超;劉勃;;Bi-2212導體用鎧甲316LN鋼力學性能研究[J];低溫與超導;2016年07期

3 汪獻偉;王兆亮;劉小剛;李君君;韓鵬;;CFETR模型線圈引線的力學分析[J];核聚變與等離子體物理;2016年01期

4 王兆亮;劉小剛;汪獻偉;施毅;武玉;;CFETR CS模型線圈的電磁分析[J];核聚變與等離子體物理;2016年01期

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9 劉萬遠;吳維越;曾文彬;杜雙松;;ITER校正場線圈等效材料屬性有限元分析[J];原子能科學技術;2010年06期

10 劉華軍;武玉;韓奇陽;任志斌;李來風;;ITER PF導體鎧甲低溫力學性能研究[J];低溫與超導;2009年09期

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2 劉小川;ITER導體異型鎧甲無損檢測技術研究[D];中國科學技術大學;2017年

本文編號：2606847