ITER中心螺管线圈测试馈线系统线圈终端盒设计与分析

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国际热核聚变实验堆ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)是目前全球规模最大、备受瞩目、影响最深远的国际科研合作项目。超导磁体是ITER装置的核心系统。为测试ITER中心螺管(Central Solenoid)线圈的性能,需要一套专门的测试馈线系统来提供线圈所需低温和电气条件并进行测控。线圈终端盒(Coil Terminal Box)是测试馈线系统的重要部件,它不仅承担低温、电与测控系统的分配,是整个系统运行控制的大脑中枢,而且为测试馈线系统提供一定的安全保障。因此,它的可靠性对整个测试过程有着至关重要的作用,并最终影响线圈测试过程中的安全运行。本文根据CS线圈所需测试要求,完成了测试馈线系统线圈终端盒的优化设计与分析,主要研究内容如下:  (1)简要阐述了ITER计划的基本状况和ITER CS线圈结构与功能,介绍了整个测试馈线系统的指标要求、工作环境、系统功能与基本构成。  (2)测试馈线系统对CTB提出了高真空(<10-3Pa)、超低温(4.5K)、大电流(50kA)及低热负荷(<68W)的性能需求,结合CTB作为机械结构最基本的强度及稳定性要求,考虑工程和技术的可行性,对CTB壳体、冷屏、内部部件、安全保护系统及内部支撑结构进行了优化设计,设计涉及机械结构学、电磁学、传热学及材料学等多学科知识的交叉应用。  (3)除了自身重力外,CTB还受到压力载荷甚至地震等载荷以及它们之间相互耦合的作用。首先,针对不同运行状态下CTB所受载荷特点,对壳体的结构强度进行了校核;其次,壳体作为一个真空压力容器,从理论及有限元分析多个角度对壳体的稳定进行了分析;最后,采用美国最新抗震设计规范,运用谱分析及组合分析法对壳体的抗震性能进行了评估,验证了壳体的安全性能。  (4)CTB冷屏的温度分布对于减小整个测试馈线系统4.5K热负荷有着重大的影响,针对低温液体领域复杂的流动沸腾换热问题,提出了一种新的计算思路,并采用CFX对冷屏进行了流固耦合传热分析;依托ITER电流引线控制测试平台,开展了冷屏温度测试,获得了液氮质量流量与冷屏温度分布之间关系,得出了冷屏设计合理可靠的结论,并验证了CFX分析结果的准确性。  (5)最后从结构强度与稳定性角度对CTB内部相关支撑结构进行了校核。
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