CICC导体测试装置的设计及性能研究

摘要

为了满足中国CFETR（中国聚变工程实验堆）项目中CICC导体的测试需求，在科技部ITER计划专项的支持下，中国科学院强磁场科学中心依托40T稳态强磁场装置中的11T外超导磁体系统，正在研制一套大型CICC导体综合性能测试装置。该导体测试装置一方面可以满足未来聚变堆等大型超导磁体所需的CICC导体样品的测试需求，另一方面也可以通过该装置的研制大力促进我国在CICC导体低温性能测试方面的实验研究水平。
　　本文围绕CICC导体测试装置的设计与性能分析展开课题研究工作，对导体测试装置中的电路理论、机械结构与研制工艺、电磁与力学性能、低温与实验等方面进行了相关内容的研究与分析。根据研究结果，在调研国内外相关文献的基础上，成功研制出CICC导体测试装置的各个组成部件，并在导体测试装置组装完成后进行了初步实验性能测试。
　　首先，本文对CICC导体测试装置的系统组成进行了总体介绍，对其关键部件超导变压器的电路方程进行理论分析，对影响超导变压器电磁特性的相关参数进行优化设计，从而获得满足测试装置需求的电磁特性参数。
　　其次，针对导体测试装置中背景磁体的磁场分布，设计了四种不同结构的低电感导体样品。根据超导变压器的电磁参数及测试装置的配套附属系统，对导体测试装置的整体结构参数进行设计与优化。超导变压器绕组采用同轴+双骨架+共底面的结构，测试低温杜瓦采用上下偏心的圆筒连接形式。
　　再次，根据导体测试装置的结构设计参数，采用理论分析与有限元分析相结合的方法对导体测试装置的电磁、机械与力学性能进行了综合分析，分析结果有利于其它相关部件的结构设计优化。综合采用电磁-机械耦合与场-路耦合等多物理场有限元分析方法对导体测试装置运行过程中的电磁性能与力学性能进行了准确的评估与预测。并采用细丝法+辛普森积分法对超导变压器绕组安装误差下的电磁力与互感参数进行了准确分析计算。
　　然后，针对导体测试装置中的电流引线、超导接头与导体样品加热器等部件的复杂低温热力学过程，介绍了相关部件的热力学分析理论与方法。借助于有限元仿真分析软件，对超导接头和导体样品加热器的热力学过程进行了热流固耦合分析和稳态热传导分析，并根据分析结果对相关部件进行优化设计。
　　最后，对CICC导体测试装置进行了一系列的低温性能测试实验，利用霍尔传感器与Rogowski线圈两种不同工作原理的电流测量方法，对超导变压器次级无源回路中的感应电流进行了准确检测。实验结果表明，初级绕组电感为3.72H，次级绕组电感为8.0×10-6H左右，次级回路感应电流放大系数为310-320之间，接头电阻在2nΩ左右，次级回路衰减时间常数为4000，导体测试装置的各项关键性能参数满足设计要求，最高实现了68.4kA的大电流。性能测试实验中真空系统、低温系统、失超保护系统和数据采集系统等工作稳定。