中國聚變工程試驗堆(CFETR)是在中國已經具有多個托卡馬克設計、建造、運行的經驗和吸收消化ITER技術的基礎上,設計和建造一個聚變工程實驗堆,為建造聚變示范堆乃至最終實現(xiàn)商用的核聚變反應堆奠定技術基礎。中心螺線管(CS)線圈是托卡馬克裝置的重要部件之一,其主要作用是誘導產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設計目標值為12T,運行電流約47.65kA,所以必須采用Nb3Sn超導導體。目前我國在以Nb3Sn為超導導體的大型超導磁體的研制方面經驗非常匱乏,這對我們聚變工程實驗堆(CFETR)的建造非常不利。設計并且制造以Nb3Sn為超導導體的CFETR中心螺線管(CS)模型線圈,對摸索大型超導磁體的工程設計,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。本文運用了機械設計、計算機輔助工程、力學、優(yōu)化設計、有限元仿真等多種科學理論進行了 CS模型線圈的工程結構設計、優(yōu)化設計、有限元分析�；陔姶艑W、傳熱學及機械結構優(yōu)化設計等理論,在國內首次開展以Nb3Sn材料為超導導體的大尺寸中心螺線管(CS)模型線圈的設計工作,為最終的CS模型線圈的制造提供合理的結構形式。根據(jù)CFETRCS模型線圈的物理設計目標及電磁設計結果,進行了線圈繞組的詳細結構設計。為了實現(xiàn)CS模型線圈的設計目標,同時降低線圈的制造成本,線圈被設計成混合磁體線圈,內側高場區(qū)采用Nb3Sn導體,外側低場區(qū)采用NbTi導體。CS模型線圈共有5餅線圈,分別是Nb3Sn內線圈和外線圈;NbTi上線圈,NbTi中線圈和NbTi下線圈。同時對線圈出線頭、跨接引線、接頭的分布分別進行了詳細的設計,設計了 6個線圈間的接頭,4個電流進出口接頭,共計10個接頭�；贏NSYS的優(yōu)化設計模塊對預緊機構的預緊桿進行了優(yōu)化設計,得到最優(yōu)的預緊桿尺寸為M140mm。建立了基于ANSYS超導磁體復雜三維模型多物理場耦合的分析方法,并采用這種方法分別對CS模型線圈的預緊機構部件,出線頭部件、跨接引線部件、出線頭加強板部件、引線及接頭支撐等部件進行了三種工況下的應力分析及強度評估,驗證了所有的設計結構均滿足設計要求。并且進行了 CS模型線圈的冷卻He管的布置及其支撐的設計。制定了詳細的CS模型線圈裝配集成方案,并且針對關鍵技術難點給出了解決方案。解決了 CS模型線圈測試大廳吊裝能力不足的問題,解決了小間隙定位套裝及裝配過程中接頭對接的問題,以及解決了狹小空間加載超大預緊力等一些難點問題。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TL622
【部分圖文】：

及地球環(huán)境污染及惡化是人類??社會面臨的重大問題ｍ。地球上除了可在生的能源外可提供能源的物質主要有石??油，天然氣，煤炭等。但是這些能源物質儲存量都是有限的，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越少。相關數(shù)據(jù)表明已探明??的石油可供人類使用５０年，而中國的儲量只夠使用２０年，天然氣全球儲量只夠??人類使用６５年，而中國的儲量只夠使用３０年，煤炭能源只夠使用２２０年，而中??國儲量只夠使用１００年，如圖］．丨所示。??：丨?Ｉ??ｌ?Ｌ?Ｉ?ｋ??圖１．１能源存儲量?圖１．２環(huán)境污染??目前，中國以煤炭進行發(fā)電占據(jù)了發(fā)電能的很大一部分，這對中國的生態(tài)環(huán)??境帶來了巨大的壓力。當前，我國的二氧化碳排放量是世界上最大的國家［２］。為??了緩解日益嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，國家也在大力發(fā)展綠色清潔能源，例如太陽能，??風能，水力能，潮汐能等。但是這些能源對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，無法大規(guī)模穩(wěn)定的為電網(wǎng)輸送能源，因此這些能源無??法徹底解決人類的能源問題。所以，對尋找清潔而穩(wěn)定的能源提出了迫切的要求??［３］。??根據(jù)國內外的發(fā)展和研宄趨勢來看，核能是可以解決能源問題的一個重要的??途徑，而核能的產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的儲量是非常有限的，另一方面裂變過程中有核泄漏的風險［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的清潔能源。因此受控核聚變的研宄成為了各國關??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，因此人類利用磁場對帶電粒子進行約束，使??其約束懸浮在一個環(huán)形的跑道中，然后進行加熱，從而實現(xiàn)核聚變。目前，托卡??馬克類型的磁約束聚變被認為是最有成效且最有希望實現(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)科學家阿齊莫維齊等人在２０世紀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。整個磁體系統(tǒng)又包括環(huán)向場線圈（ＴＦ），極向場線??圈（ＰＦ），中心螺線管線圈（ＣＳ），校正場線圈（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行提供穩(wěn)定的環(huán)向磁場，ＰＦ線圈的主要??作用是確定和控制等離子體的位形，并產生和維持等離子體電流［１｜］。ＣＳ線圈的??主要作用是誘導產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償由于磁體的設計、制造、安裝等原因造成的誤差磁場??［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托卡馬??克裝置Ｔ－１，其環(huán)向場為１．５護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，并且開展了等離子體約束相關的試驗研宄，取得了重要的進展。隨后??世界多個國家前后分別建造了百余個托卡馬克裝置，開展了相關的研宄工作。其??中主要有，１９８２年美國建造的ＴＦＴＲ，其大半徑為３．１ｍ，小半徑為０．９６ｍ，環(huán)向??場為６Ｔ［１５］，如圖１．６所示。２０世紀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年被改造升級為ＪＴ－６０Ｕ，隨后又將其升級改??造成為超導托卡馬克ＪＴ－６０ＳＡ，其大半徑為２．９６７ｍ，小半徑為１．１８ｍ，環(huán)向場為??２．２５Ｔ［１￣?，如圖１．８所示。隨著人們研宄的深入，常規(guī)托卡馬克己無法滿足需求，??因而幵始研制超導托卡馬克。法國于１９８６年建成了?ＴＯＲＥ?ＳＵＰＲＡ超導托卡馬克，??其大半徑為２．３６ｍ，小半徑為０．８ｍ，環(huán)向場為４．５�。郏福�。２００８年韓國完成了?ＫＳＴＡＲ??的建造并且開始運行，其環(huán)向場為３．５Ｔ［１９］，ＫＳＴＡＲ是采用Ｎｂ３Ｓｎ超導導體的托??卡馬克裝置，其于２０１０年實現(xiàn)了?３秒的高約束模連續(xù)放電。??ｍａｍ??圖１．６美國ＴＦＴＲ裝置?圖１．７歐洲ＪＥＴ裝置??３??
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本文編號：2866746