ITER纵向场磁体过渡馈线系统的设计与分析

摘要

纵向场磁体馈线系统负责完成向国际热核聚变实验堆(ITER)的纵场超导磁体线圈系统传输电流、提供冷却介质及进行测量诊断等任务,它由一系列管、线、缆等组成。馈线子系统的过渡馈线是长达11米的直线段,连接着内馈线和S弯盒,位于主机杜瓦的外部,是超导母线、冷却管及测量线管等穿越生物屏蔽层进出装置的通道。由于馈线采用磁体线圈供电、冷却液输送、诊断测量三者集成的单通道结构形式,且工作环境特殊,结构的集成程度很高,因此增加了馈线系统结构设计和分析的难度。目前馈线系统的设计和制造的质量,对于纵场磁体系统、甚至整个ITER.装置能否正常运行,起着十分重要的作用。
　　 本课题对过渡馈线系统进行结构设计,并通过对其进行结构分析及传热分析,验证所设计结构的可靠性,为ITER的工程设计提供合理的结构参数。
　　 本文首先根据ITER.纵场磁体馈线系统的工程要求,利用三维建模软件CATIA对过渡馈线系统的相关部分进行了详细结构设计,设计了以内管、冷屏及外管为主体的三层套管的结构形式,完成了超导母线支撑、管路支撑及冷质支撑、冷屏、真空隔断等的设计工作,并进行了一些方案对比及结构的优化:然后采用有限元分析方法对过渡馈线的典型结构进行了稳态及瞬态温度场分析,获得了稳态时的结构温度分布、低温管路的热负荷情况,在冷却过程中馈线的关键部件降温的时间历程曲线,确定了整个降温过程所需的时间。最后通过对关键部件的结构强度分析,得到了超导母线、隔板、内管及冷质支撑的应力和应变情况,以验证结构设计的可行性,并根据分析结果提出了对冷质支撑的改进建议。

目录

文摘

英文文摘

致谢

论文说明:图表目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 受控核聚变与ITER计划

1.2.1 受控核聚变研究

1.2.2 磁约束聚变研究装置——托卡马克

1.2.3 ITER计划与中国

1.3 ITER纵向场磁体馈线系统

1.3.1 馈线系统介绍

1.3.2 纵向场磁体馈线系统的结构

1.4 本文研究的目的、意义及主要内容

第二章 过渡馈线系统的结构设计

2.1 过渡馈线系统的设计要求及设计准则

2.1.1 纵向场磁体馈线系统的设计要求

2.1.2 过渡馈线系统的设计准则

2.2 过渡馈线系统的总体结构

2.3 过渡馈线系统材料的选择

2.4 内部结构设计

2.4.1 超导母线布置的方式

2.4.2 超导母线支撑间距的计算

2.4.3 内部支撑的设计

2.5 冷屏的结构设计

2.5.1 冷屏的作用及冷却介质的选择

2.5.2 冷屏热负荷的计算

2.5.3 冷屏结构的设计及优化

2.5.4 管道压降的计算

2.6 冷质支撑及地面支撑结构设计

2.7 真空隔断的设计

2.7.1 真空隔断位置的确定

2.7.2 真空隔断结构设计

2.8 本章小结

第三章 过渡馈线直线段温度场仿真分析

3.1 有限元分析方法及ANSYS介绍

3.2 传热基本原理及其有限元理论

3.3 过渡馈线的传热分析

3.3.1 有限元模型的建立

3.3.2 稳态热分析

3.3.3 瞬态热分析

3.4 本章小结

第四章 过渡馈线关键部件的结构强度分析

4.1 强度分析基本理论及其有限元原理

4.2 强度极限准则

4.3 内部结构分析

4.3.1 有限元模型的建立

4.3.2 加载及边界条件的设置

4.3.3 分析结果及讨论

4.4 冷质支撑结构分析

4.4.1 有限元模型及边界条件设置.

4.4.2 分析结果及讨论

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文