CICC导体在ITER工程应用中若干关键力学问题研究

摘要

"国际热核聚变实验堆(ITER)计划"是目前全球最大、影响最深远的国际科技合作项目之一。该计划旨在验证磁约束受控核聚变反应堆的科学性与技术可行性,通过由CICC（Cable in Conduit Conductor）导体绕制而成的托克马克装置产生强磁场，将上亿摄氏度的高温等离子体约束在磁笼内诱发可控热核聚变。2014年ITER组织磁体部门负责人Devred教授指出当前ITER用CICC导体主要面临三大挑战：1，CICC导体制备过程中普遍存在电缆穿管退扭问题，伴随着电缆节距增加引起交流损耗的增大，这将严重影响CICC导体电流输运特性及稳定性。2，CICC导体短样在热-电磁循环载荷作用下分流温度随循环加载次数的增加表现出退化行为，这就意味着按照目前这种设计方式，ITER仅能运行数千次，远低于原计划的3万次，这加剧了人们对ITER工程的担忧。3，高性能超导股线研发与接头制备。知道，托克马克装置中心场与环向场螺线管CICC超导电缆是由Nb3Sn超导股线经多级绞扭而成。而已有的研究表明Nb3Sn超导性能对力学变形极为敏感。因此，研究超导电缆的等效力学参数及其在多场作用下的力学行为是实现托克马克磁体系统安全性与稳定性设计的基础。本文针对超导电缆等效力学参数、穿管过程中的电缆退扭行为、热-电磁静载荷作用下的超导股线屈曲行为以及热-电磁循环载荷作用下的分流温度退化等关键科学问题开展实验与理论研究。本文主要研究内容如下： 首先，基于细杆理论对一级子缆轴向拉伸时的应力应变状态进行了分析，建立了一级子缆轴向拉伸刚度模型。受限于绞线制备工艺，股线间通常存在间隙以及残余扭转变形。针对这两种情形下的一级缆拉伸刚度分别建立了弹簧模型及修正的细杆理论模型，两种模型理论计算结果与实验测试结果吻合良好。自行设计并完成绞线热膨胀系数高精度测试系统，对碳纤维绞线与凯夫拉绞线轴向热膨胀系数进行实验测试，得到绞线节距对轴向热膨胀系数的影响规律。随后在细杆理论的基础上引入热应变，建立了理想绞线结构的热膨胀系数预测模型，理论计算与实验结果相一致。最后在一级缆理论基础上建立了二级缆拉伸刚度与热膨胀系数理论模型。 其次，针对CICC导体制备过程中电缆穿管退扭问题进行了研究。首先建立了瓣缆在包扎作用下的弯曲刚度模型以及超导电缆拉伸退扭理论模型。接着与电缆拉伸退扭实验测试结果进行对比，验证了理论模型的准确性。随后分别讨论了材料刚度、包扎力、叠包率、放线张力以及穿管牵引力等参数对瓣缆弯曲刚度以及整缆退扭量的影响，并给出了CICC导体退扭角随轴向牵引力的变化规律。 再次，针对CICC导体在热-电磁静载荷作用下超导股线屈曲现象进行了理论分析，研究了包扎参数、摩擦系数、绞线节距对超导股线屈曲临界值的影响。计算结果显示节距是决定超导股线屈曲行为的关键，节距越小屈曲越难以发生；增加包扎率与包扎刚度可减小超导股线屈曲概率。此外增加股线表面摩擦系数也可以增加股线稳定性，同时也是增强超导电缆整体刚度的有效手段之一。 最后，建立了CICC导体在热-电磁循环载荷作用下分流温度退化行为理论预测模型。在揭示了超导电缆横向压缩应变与轴向伸长变形之间转换关系的基础上，研究了电缆轴向压缩刚度与表面摩擦系数对超导电缆在热-电磁循环载荷作用下轴向压缩应变的影响。随后引入超导电缆轴向应变与分流温度关系，给出分流温度随电磁循环次数的变化规律。计算结果显示超导电缆的刚度对分流温度变化起决定性作用，即刚度越大电缆的轴向压缩应变越小，相应的分流温度退化量越小。此外，SULTAN测试装置的高低磁场分布特征是造成短节距CS导体分流温度上升的关键。以上理论预测结果均与SULTAN装置实验结果吻合良好。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3本文主要研究内容

第二章 CICC电缆等效力学参数理论与实验研究

2.1 经典绞线细杆理论的修正

2.2 一级子缆等效力学参数

2.3 二级子缆等效力学参数

2.4 本章小结

第三章 CICC导体制备时电缆穿管退扭问题理论分析

3.1 电缆轴向拉伸退扭理论模型

3.2 电缆轴向拉伸退扭实验研究

3.3 电缆退扭行为影响因素讨论

3.4 本章小结

第四章 热-电磁静载荷作用下CICC导体股线屈曲行为研究

4.1 Nb3Sn股线在热应力作用下的屈曲模型

4.2 股线在热-电磁载荷作用下的屈曲模型

4.3 股线屈曲行为影响因素分析

4.4 本章小结

第五章 热-电磁循环载荷作用下CICC导体分流温度退化问题研究

5.1 SULTAN中心分流温度实验测试简介

5.2 超导电缆在热应力与电磁力共同作用下力学变形

5.3 CICC导体分流温度在循环载荷作用下退化机制分析

5.4 本章小结

第六章 结束语

参考文献

在学期间的研究成果

致谢