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中国聚变工程试验堆(CFETR)是在中国已经具有多个托卡马克设计、建造、运行的经验和吸收消化ITER技术的基础上,设计和建造一个聚变工程实验堆,为建造聚变示范堆乃至最终实现商用的核聚变反应堆奠定技术基础。中心螺线管(CS)线圈是托卡马克装置的重要部件之一,其主要作用是诱导产生等离子电流以及和PF线圈共同起到等离子体的成形。CFETR的中心螺线管线圈的最高场设计目标值为12T,运行电流约47.65kA,所以必须采用Nb3Sn超导导体。目前我国在以Nb3Sn为超导导体的大型超导磁体的研制方面经验非常匮乏,这对我们聚变工程实验堆(CFETR)的建造非常不利。设计并且制造以Nb3Sn为超导导体的CFETR中心螺线管(CS)模型线圈,对摸索大型超导磁体的工程设计,掌握大型磁体制造工艺及线圈绕制方法都具有十分重大的意义。本文运用了机械设计、计算机辅助工程、力学、优化设计、有限元仿真等多种科学理论进行了 CS模型线圈的工程结构设计、优化设计、有限元分析。基于电磁学、传热学及机械结构优化设计等理论,在国内首次开展以Nb3Sn材料为超导导体的大尺寸中心螺线管(CS)模型线圈的设计工作,为最终的CS模型线圈的制造提供合理的结构形式。根据CFETRCS模型线圈的物理设计目标及电磁设计结果,进行了线圈绕组的详细结构设计。为了实现CS模型线圈的设计目标,同时降低线圈的制造成本,线圈被设计成混合磁体线圈,内侧高场区采用Nb3Sn导体,外侧低场区采用NbTi导体。CS模型线圈共有5饼线圈,分别是Nb3Sn内线圈和外线圈;NbTi上线圈,NbTi中线圈和NbTi下线圈。同时对线圈出线头、跨接引线、接头的分布分别进行了详细的设计,设计了 6个线圈间的接头,4个电流进出口接头,共计10个接头。基于ANSYS的优化设计模块对预紧机构的预紧杆进行了优化设计,得到最优的预紧杆尺寸为M140mm。建立了基于ANSYS超导磁体复杂三维模型多物理场耦合的分析方法,并采用这种方法分别对CS模型线圈的预紧机构部件,出线头部件、跨接引线部件、出线头加强板部件、引线及接头支撑等部件进行了三种工况下的应力分析及强度评估,验证了所有的设计结构均满足设计要求。并且进行了 CS模型线圈的冷却He管的布置及其支撑的设计。制定了详细的CS模型线圈装配集成方案,并且针对关键技术难点给出了解决方案。解决了 CS模型线圈测试大厅吊装能力不足的问题,解决了小间隙定位套装及装配过程中接头对接的问题,以及解决了狭小空间加载超大预紧力等一些难点问题。