ITER中心螺管磁体线圈馈线系统CS1U热分析

摘要

ITER中心螺管磁体线圈馈线系统作为连接杜瓦内磁体线圈和杜瓦外冷源、电源以及控制诊断系统的通道，其内部包括超导母线和超临界氦管等4.5K低温真空部件。在低温真空部件与室温壳体之间设置了80K的冷屏装置，用于减少室温对馈线内部低温真空部件的辐射。本文主要分析ITER中心螺管磁体线圈馈线系统CSlU的传热。主要研究内容如下:　　 (1)调查了研究国内能源面临的问题并提出聚变能是最终解决人类社会能源问题的重要途径之一。叙述了核聚变反应基本原理、国际热核聚变实验堆ITER基本状况以及磁体线圈馈线系统的研究现状。　　 (2)研究了ITER中心螺管磁体线圈馈线系统CSlU的相关设计。中心螺管磁体线圈馈线系统CSlU包括内部馈线ICF结构、Gimbal和过渡馈线CFT结构。内部馈线ICF和过渡馈线CFT均由超导母线、超临界氦管、数据传输线管、中问隔板、超导母线支撑、管道支撑和主动冷却结构组成。分析了内部馈线ICF和过渡馈线CFT中超导母线支撑、管道支撑和主动冷却结构的分布情况。　　 (3)计算了超导母线支撑、管道支撑、冷质支撑和主动冷却片结构在无接触和有接触两种情况下的热阻。并计算了两种情况下等效LINK33单元的截面常数，用以简化ITER中心螺管磁体线圈馈线系统CSlU的有限元分析模型。　　 (4)用ANSYS workbench软件分析Gimbal对过渡馈线CFT和内部馈线ICF之间的传热影响。分析结果显示，简化模型的总热流量范围控制在4.0914×10-12W/m2～1.76×10-7W/m2，接近于零，故Gimbal结构在过渡馈线CFT与内部馈线ICF之间的传热可以忽略不计。　　 (5)分析了主动冷却结构、热截止片和支撑接触形式对CSlU磁体线圈馈线系统的传热影响。获得了馈线系统CSlU的温度分布、内部馈线ICF和过渡馈线CFT杜瓦管的峰值温度。分析结果表明，主动冷却结构、热截止片和接触热阻均能有效降低超导母线和超临界输入管的热载。但是主动冷却结构的引入，会使超临界氦输出管的热载增大。主动冷却结构和热截止片的引入能使In-Duct杜瓦管的温度维持在50K以下。4.5K低温系统大部分热载来源于冷屏的辐射。

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摘要

致谢

第一章 绪论

1．1 国内能源面临问题及解决方案

1．2 核聚变原理

1．3 国内外托卡马克研究

1．3．1 国外托卡马克研究

1．3．2 国内核聚变研究现状

1．4 ITER基本概况

1．5 ITER馈线系统的研究现状

1．6 课题研究的来源，主要内容与研究意义

1．6．1 课题来源

1．6．2 课题研究目的

1．6．3 课题研究内容

1．6．4 课题研究意义

1．7 本章小结

第二章 ITER中心螺管磁体线圈馈线系统CS1U设计

2．1 材料的选择

2．2 CS1U馈线系统设计

2．2．1 CS1U内部馈线ICF结构设计

2．2．2 CS1U过渡馈线CFT结构设计

2．2．3 辅助支撑结构设计

2．2．4 主动冷却结构设计

2．3 本章小结

第三章 馈线系统CS1U零部件热阻分析与计算

3．1 传热及热应力计算基本原理

3．1．1 热传导

3．1．2 热对流

3．1．3 热辐射

3．2 支撑结构热阻计算

3．2．1 分析计算支撑结构热阻

3．2．2 热传导单元截面尺寸计算

3．3 接触热阻计算

3．4 本章小结

第四章 Gimbal对馈线系统传热影响分析

4．1 ANSYS workbench分析软件

4．2 材料属性

4．3 有限元模型

4．4 网格划分

4．5 载荷与边界条件

4．6 分析结果

4．7 本章小结

第五章 中心螺管磁体线圈馈线系统CS1U热分析

5．1 有限元模型

5．2 单元属性

5．3 材料属性

5．4 边界条件与载荷

5．5 分析结果

5．6 结论

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 文章总结

6．2 前景展望

参考文献

攻读硕士期问已发表的学术论文