（机械电子工程专业论文）iter超导馈线系统中心螺线管线圈内馈线的设计与分析.pdf

i i ii ii ii iii ii i ii iii ij y 18 8 6 7 9 5 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业 大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：童珏a - 锄业夭喾紊暄 委员：右羡纷 秀帼锻压冬司 茶撂f i i 荔工 蹶b 锄些7 净 殇7 积巧 导师： 名常2 世夭享谬7 教拉 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：z 镅锅 签字日期：为j 年4 月) f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金壁王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： i 媚碣 签字日期：i f 年4 月 f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：如7 f 年月) 日 电话： 邮编： i t e r 超导馈线系统中心螺线管线圈内馈线的设计与分析 摘要 国际热核聚变反应实验堆( i n t e r n a t i o n a lt h e r m o n u c l e a re x p e r i m e n t a l r e a c t o r ，简称i t e r ) 中心螺线管( c e n t r a ls o l e n o i d ，简称c s ) 内馈线系统用 于连接中心螺线管超导磁体线圈和过渡馈线，对中心螺线管磁体进行供电、冷 却及测量诊断等，根据i t e r 装置对中心螺线管内馈线系统的性能要求，同时 考虑到该系统所处空间位置的复杂性和工作环境的特殊性，利用三维建模软件 c a t i a 对中心螺线管内馈线系统结构进行概念设计，并通过相关分析初步论证 了内馈线系统结构设计的安全性和可靠性。 本文首先根据i t e r 中心螺线管磁体馈线系统工程上的要求和i t e r 国际组 给出的内馈线工作流程图，对c s 内馈线进行概念设计，包括外管的结构、超 导母线布局、冷却管和测量管的布局、超导母线支撑、管道支撑、主动冷却结 构和内馈线外部支撑；内馈线与c s 磁体的接口以及内馈线与过渡馈线的接口； 最后初步确定了c s 内馈线在国内的装配流程。然后用有限元方法得到内馈线 超导母线和超导母线支撑最大应力，并对其进行校核；对冷却管支撑进行结构 分析，在加载重力载荷、降温i 集成加载情况下求出支撑受到的最大应力值， 将所得应力值与许用应力值进行比较，得出所有应力均在许用范围内的结论， 说明冷却管支撑结构安全可靠。对万向节进行结构分析，得到其应力云图和位 移云图，并对分析结果进行应力评定，得出万向节所受应力在材料的许用范围 内的结论。 关键词：i t e r内馈线系统结构设计结构分析 t h es t r u c t u r ed e s i g na n da n a l y s i so f i n - - c r y o s t a t - - f e e d e ro fi t e r c e n t r a ls o l e n o i d a b s t r a c t t h e i n c r y o s t a t f e e d e r o fi n t e r n a t i o n a lt h e r m o n u c l e a r e x p e r i m e n t a l r e a c t o r ( i t e r ) c e n t r a ls o l e n o i di s as u b a s s e m b l yt h a tc o n n e c t sc e n t r a ls o l e n o i d a n dt h ec r y o s t a tf e e d _ t h r o u g ho ft h ec e n t r a ls o l e n o i d ，i ts u p p l i e se l e c t r i c a lp o w e r , c r y o g e n i cl i q u i d s a n di n s t r u m e n t a t i o nc a b l e sf o rt h ec e n t r a ls o l e n o i ds y s t e m c o n s i d e rt h ec o m p l e x i t yo ft h ep o s i t i o no ft h ei n - c r y o s t a t f e e d e ra n dp a r t i c u l a r i t y o ft h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ，a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t o f i n c r y o s t a t f e e d e ro fc e n t r a l s o l e n o i do ft h ei t e re q u i p m e n t ，u s i n gc a t i a p r o c e s st h ec o n c e p t u a ld e s i g no ft h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ei n - - c r y o s t a t - f e e d e ro f c e n t r a ls o l e n o i d t h ec o n c e p t u a ld e s i g nh a sa l r e a d yh a v et h er e c o g n i t i o no ft h e i t e ri n t e r n a t i o n a lg r o u p f i r s t l y , p r o c e s sc o n c e p t u a ld e s i g no fc si c fa c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f i t e rc si c fa n dt h ep r o c e s sf l o wd i a g r a mo ft h ec si c fs y s t e m ，i n c l u d i n gt h e s t r u c t u r eo fc o n t a i n m e n t ，t h el a y o u to fb u sb a r s ，t h el a y o u to fc o o l i n gp i p e sa n d i n s t r u m e n t a t i o nc a b l e s ，t h es u p p o r to fb u sb a r s ，t h es u p p o r to fp i p e s ，a c t i v ec o o l i n g a sw e l la st h ee x t e r n a ls u p p o r to ft h ei c f ；t h ei n t e r f a c eo fi c fa n dc sm a g n e t s y s t e m ；t h ei n t e r f a c eo fi n c r y o s t a t - f e e d e ra n dc r y o s t a t f e e d e r - t h r o u g h ，a n dh a d a l r e a d yc o n f i r mi t ；t h ep r e l i m i n a r ya s s e m b l yp r o c e s so fc si c fi n d o m e s t i c s e c o n d l y ，f e at e c h n i q u ei su t i l i z e dt oa n a l y z et h es t r u c t u r ei n t e n s i t yo ft h eb u s b a r sa n di t ss u p p o r t sa n dc h e c k i n go fi t d oa n a l y s i st ot h es u p p o r to fc o o l i n gp i p e s ， s o l v eb ya d dh y p o t h e r m y , g r a v i t yl o a d i n ga n di n t e g r a t e dl o a d i n gt ot h ec o o l i n g p i p e ss u p p o r t ，d os t r e s sc h e c k i n gt oi t ，a n d a l lt h es t r e s sa r ei nt h ea l l o w a b l er a n g e d os t r u c t u r ea n a l y s i so fg i m b a lg e tt h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd i s p l a c e m e n t d i s t r i b u t i o n c h e c kt h er e s u l ta n df i n da n da l lt h es t r e s sa r ei nt h ea l l o w a b l er a n g e k e yw o r d s ：i t e ri n c r y o s t a t - f e e d e r s t r u c t u r ed e s i g n a n a l y s i s 致谢 本人在近三年的学习中，始终得到了高荣慧老师和刘正士老师的悉心指导， 无论是课题的选择还是论文的撰写，都倾注了高老师和刘老师的无数心血。高 老师学识渊博，知识丰富，具有非常深厚的学问功底；刘老师科研工作严谨求 实，博学多识，才思敏捷。两位老师不仅在学业上给予我精心指导，而且在生 活上也给予了我无微不至的关怀。谨向两位老师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 同时我要感谢机械设计教研室的全体老师和教授过我的老师，他们在我的 学习生活中也给予了我很多的帮助，在此我感谢他们对我学业上的指导，向他 们表示崇高的敬意。 感谢合肥科学岛等离子体物理研究所一室的所有老师和同事，初入课题组 时，我对i t e r 项目一无所知，是他们的帮助让我能够按时按质按量的完成课 题的任务。 感谢孙敬慧、王秋杰、王亮亮、孟岳、吴金刚等同学对我的指导和帮助。 感谢实验室所有的师兄弟在我研究生期间所给予的帮助。 感谢我的父母以及我的其它亲人，感谢他们这么多年来对我无微不至的关 怀，感谢他们对我精神和物质上的支持，感谢他们为我无私奉献的一切。 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们。 最后，感谢评阅本文和出席论文答辩的各位专家教授在百忙中给予本人的 指导。 作者：王娟娟 2 0 1 0 年0 4 月 目习 第一章绪论1 1 1 核聚变与i t e r 计划1 1 1 1受控热核聚变研究1 1 1 2 托卡马克研究2 1 1 3 i t e r 计划3 1 2i t e r 馈线系统研究现状4 1 2 1 i t e r 馈线系统介绍4 1 2 2中心螺线管线圈馈线系统结构5 1 3本课题研究的意义、内容及预期目标6 第二章c s 内馈线系统的结构设计8 2 1 内馈线系统的设计要求及准则8 2 1 1内馈线系统的设计输入条件8 2 1 2 内馈线系统的设计准则1 1 2 2内馈线系统总体结构方案1 2 2 3内馈线材料的选择1 6 2 4 内馈线外管的结构设计18 2 5 超导母线的布局设计2 1 2 6 冷却管和测量线的布局设计2 4 2 7c s 内馈线内支撑的结构设计2 6 2 7 1超导母线支撑最大间距的计算2 6 2 7 2 超导母线支撑的布置及结构设计一2 8 2 7 3冷却管和测量线支撑的布置及结构设计3 0 2 8主动冷却结构3 2 2 9c s 内馈线外支撑的结构设计3 3 2 1 0 接口设计3 6 2 1 0 1与c s 磁体的接口设计3 6 2 1 0 2与c s 过渡馈线的接口设计3 7 2 1 1 装配工艺分析4 0 2 1 2 本章小结4 2 第三章c s 内馈线系统关键部件的分析4 3 3 1 有限元法及a n s y s 介绍4 3 3 2 应力评定准则4 4 3 3超导母线及其支撑的结构分析4 5 3 3 1 理论计算4 5 3 3 2 有限元分析4 6 3 4 管道支撑的结构分析一5 0 3 5g i m b a l 结构分析5 2 3 5 1 问题定义5 2 3 5 2 建模和划分网格5 3 3 5 3添加载荷及约束5 3 3 5 4 计算结果与结果评定5 4 3 6本章小结5 7 第四章论文总结与工作展望5 8 4 1论文总结5 8 4 2论文展望5 8 参考文献：6 0 发表论文情况6 3 插图清单 图1 1 托卡马克原理图2 图1 2i t e r 装置结构图一4 图1 3i t e r 馈线系统总体布置图5 图1 4c s 磁体馈线结构图6 图2 。1c s 馈线布线流程图1 0 图2 。2c s 磁体线圈及馈线系统中超导母线配对图1 0 图2 3c s 内馈线的整体布局1 2 图2 4 磁体底部区域的馈线平面布置图1 3 图2 5 磁体顶部区域的馈线平面布置图1 3 图2 6c s 磁体安装位置1 4 图2 7c s 内馈线系统总体结构1 5 图2 86 条c s 外管结构1 9 图2 9c s 内馈线外管1 9 图2 1 06 条c s 内馈线外管的外形尺寸2 0 图2 1 lc s 内馈线内部结构2 1 图2 1 2 中间接头中内部管道的连接形式2 1 图2 1 3 中间接头b u s b a r 的连接形式一2 2 图2 1 4c s 超导母线电流走向2 3 图2 1 5c s l u 和c s l l 内馈线的超导母线布局2 3 图2 1 6 超导母线截面结构2 4 图2 1 7 中间接头处截面尺寸2 5 图2 18 内馈线典型截面的尺寸2 5 图2 1 9c s 超导母线支撑间距计算简化模型2 6 图2 2 0b u sb a r 耦合强度应力分布云图2 8 图2 2 lc s l u 、c s l l 超导母线支撑的布置2 8 图2 - 2 2c s 超导母线支撑的两种设计方案2 9 图2 2 3 直线段和弯曲段的超导母线支撑3 0 图2 2 4c s l u 的管道支撑结构3 0 图2 2 5c s 管道支撑组成结构3 l 图2 2 6c s 管道支撑两种设计方案3 1 图2 2 7 方案b 中c s 内馈线的内部支撑布置方式3 2 图2 2 8 主动冷却结构3 3 图2 2 9c s 内馈线外支撑3 4 图2 3 0 外管支撑结构3 5 图2 3 1 外支撑架的两种形式3 6 图2 3 2 外支撑架中工字钢的尺寸3 6 图2 3 3 初始设计中c s 内馈线与磁体的连接形式3 7 图2 3 4 最终设计中c s 内馈线与磁体的连接状况3 7 图2 3 5 内馈线与过渡馈线接口3 8 图2 3 6 串联万向节补偿原理图3 8 图2 3 7 内馈线接头内部结构3 9 图2 3 8 内馈线接头内部支撑结构3 9 图2 3 9 万向节具体结构4 0 图2 4 0 万向节装配过程4 0 图2 4 1c s l u 内馈线在国内的装配流程4 2 图3 1 支撑结构有限元模型4 6 图3 2 超导母线上的应力分布( 变形放大1 0 0 倍) 4 7 图3 3 超导母线g 1 0 层上的应力分布4 7 图3 4 超导母线支撑的应力分布4 7 图3 5 支撑g 1 0 层上的应力分布4 8 图3 - 6 超导母线上的变形情况4 8 图3 7 有限元模型一5 0 图3 8 内馈线冷却管支撑的应力分布5 l 图3 - 9 管道支撑的应力分布5 1 图3 10g i m b a l 几何模型5 2 图3 11g i m b a l 有限元模型5 3 图3 1 2 约束及载荷5 3 图3 1 3 万向节应力云图5 5 图3 1 4 万向节x 应力云图5 5 图3 15 万向节y 应力云图5 5 图3 1 6 万向节z 应力云图一5 5 图3 17 万向节总位移云图5 5 图3 1 8 万向节x 位移云图一5 5 图3 1 9 万向节y 位移云图5 6 图3 - 2 0 万向节z 位移云图5 6 图3 2 l 销轴应力云图5 6 图3 2 2 销轴总位移云图5 6 图3 2 3 销轴x 位移云图5 6 图3 2 4 销轴y 位移云图5 6 图3 - 2 5 销轴z 位移云图5 7 列表清单 表2 1c s 内馈线系统设计输入条件8 表2 2 馈线b u sb a r 与b u sb a r * 之间的相互作用的最大洛伦兹力估值9 表2 3 由外磁场产生的作用于内馈线b u sb a r 上的最大洛伦兹力估值幸9 表2 4c s 馈线系统的安装位置1 3 表2 531 6 l 不锈钢材料属性1 7 表2 63 1 6 l n 不锈钢材料属性1 7 表2 7g 1 0 材料属性1 8 表2 8 冷却管和测量线管尺寸2 5 表3 1 不锈钢的许用应力m p a 4 4 表3 2g 1 0 的许用应力m p a 4 5 表3 3 超导母线及其支撑最大应力m p a 4 8 表3 4 超导母线及其支撑最大应力m p a 4 9 表3 5 内管段支撑的最大应力m p a 5 l 表3 - 6 接头支撑的最大应力m p a 5 2 表3 7 部件总体位移及应力5 4 表3 8 部件最大位移5 4 表3 - 9 支反力力矩5 4 表3 1 0 分析结果与评定5 4 第一章绪论 当前人类的生存和发展主要是依靠煤炭、石油、天然气等化石能源。但是 这些能源的蕴藏量并非是无限的，就石油资源而言，在一代人的时间内，石油 资源就会基本枯竭，剩余石油的开采难度会越来越大，到一定限度后就没有继 续开采的价值。如果不改变能源消费结构，在以石油为主的世界能源消费下， 必然会发生能源危机。相比石油资源，煤炭资源虽较多，但也不是取之不尽的。 所以人类的生存和社会的发展，需要大力开发利用新能源，如太阳能、生物能、 风能、核能、化学能等。在现有科技条件下，太阳能、生物能、风能不能成为 人类的主要能源。而核能作为清洁、安全、高效、经济的能源，在能源战略中 发挥着越来越重要的作用，世界各国目前都在加大对核能的投入。在很多发达 国家，能源结构中核能已经占据了非常重要的位置，如法国的核电装机容量占 据国家总发电量的7 8 ，在国家经济稳步以及迅速发展的进程中发挥着非常重 要的作用。 当今在全球范围内使用的核电站都是利用核裂变的原理来发电。它存在着 一些问题，如裂变材料资源的有限性、裂变堆运行的安全性、核技术扩散导致 的战略风险性以及对环境造成放射污染等。这些问题使得核裂变只能是过渡性 的能源，人类社会迫切的需要寻找一种高效、不会枯竭以及清洁的新能源。 1 1核聚变与i t e r 计划 1 1 1 受控热核聚变研究【2 - 3 】 英国科学家f w a s t o n 于1 9 1 9 年发现核聚变能够释放能量；德国科学家 f r i t zh o u t e r m a n s 和a t k i n s o n 于1 9 2 9 年从理论上计算了氢原子有可能在几千万 度的高温下聚变成氦，认为太阳有可能就是在进行这种核聚变反应；英国科学 家m l o l i p h a n t 于1 9 3 4 年发现第一个氘氘核聚变反应； s c h r e i b e r 和k i n g 于 l9 4 2 年在美国的普度大学首先发现了氘氚核聚变反应。 氘一氚核聚变反应的反应式为： z l h ( 氘) + i h ( 氚)一4 2 h e ( 氦) + 1 0 w ( 中子) 上述反应的条件是：氢核被加热到几千万摄氏度，有时候还需要达到上亿 摄氏度。此时氢核的原子核和核外电子已经完全脱离，变成氘离子和电子，由 于电子带负电而氘离子带的是正电，所以这时氢核整体呈现电中性，称为“等离 子体”。这时有一部分原子核的动能足够大，可以克服与电子之间的斥力而发生 聚合，即发生聚变反应。在核聚变反应中会释放出巨大的能量，这又使温度进 一步的升高，促使聚变反应加速进行，从而使聚变反应能够持续的进行。由于 核聚变反应需要的温度极高，故称之为“热核聚变反应”。 与核裂变相比，核聚变有很多优点：核聚变的产能效率高；其燃料氘和锂 在地球上几乎是无穷尽的；聚变堆基本上不对环境造成污染且不产生放射性核 废料。这些优点使它成为一种比较理想的新能源。为了使热核反应能够为人类 服务，须根据人们的需要使核聚变的能量均匀、持续地释放出来，即成为“受控 热核聚变反应”，也是所谓的“可控热核聚变反应”。 实现受控热核聚变反应十分困难，目前主要是靠磁场约束高温等离子体以 达到受控的目的。2 0 世纪5 0 年代科学家们发明了很多磁约束聚变装置，如仿 星器、磁镜、0 箍缩、z 箍缩等，但这些装置中的等离子在磁场约束下的宏观稳 定性都不是很好。直到2 0 世纪6 0 年代后期才在克服等离子体的宏观不稳定性 上取得突破性的进展，它是由苏联科学家在t - 3 托卡马克上利用纵场克服的， 同时等离子体的各项参数都有很大的提高。此后，托卡马克成为磁约束核聚变 的主要研究平台。 1 1 2 托卡马克研究【4 j 托卡马克( t o k a m a k ) 来源于环形( t o r o i d a l ) 、真空室( k a m e r a ) 、磁体 ( m a g n e t ) 、线圈( k o t u s h k a ) 这四个单词的缩写，由阿齐莫维齐等人发明，它 用磁场来约束等离子体从而实现可控热核聚变。托卡马克的中心是一个环状的 真空室，在真空室外部是纵场( 也可称为环向场) 线圈，此线圈会产生纵向的 磁场b t ，托卡马克就是靠它来约束等离子体；在纵场线圈的内部安装有内极向 场线圈、外部安装有外极向场线圈，这两种线圈产生极向的磁场b p ，它可以控 制等离子体的位置和形状。其中内极向场线圈即中心螺线管线圈产生垂直磁场， 形成环向的高电压，可以加热和激发等离子体，并控制等离子体。通电时，在 托卡马克的真空室内部会存在螺旋状的、由纵向场产生的纵向磁场和中心螺线 管线圈产生垂直磁场叠加形成的综合磁场，此磁场加热并约束等离子体，这样 托卡马克才能进行核聚变。其原理图如图1 1 所示。 图1 1 托卡马克原理图 2 近5 0 年来，在全世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮，由于常规的装置 用来约束磁场的电流非常大，磁体线圈会发热从而导致装置无法长期运转。但 是如果在托卡马克磁场线圈上运用超导技术，建成超导托卡马克，这时托卡马 克装置就可以连续并且平稳的运行。世界上现有的超导托卡马克装置有日本于 1 9 8 6 年建造的t r i a m i m 、法国于1 9 8 8 年建造的t o r e s u p r a 、俄罗斯于1 9 9 3 年 建造的t - 1 5 和中国于19 9 4 年建造的h 7 ，但是由于这些装置均只在纵场线圈 采用了先进的超导技术，因此只是局部超导装置，而不是更先进的全超导托卡 马克。而中国的e a s t ( h t 7 u ) 、韩国的k s t a r 、日本的j t - 6 0 s u 、印度的s s t - l 以及国际聚变实验堆i t e r 运用的是全超导托卡马克。 1 1 3 i t e r 计戈l j l 5 - 6 】 国际热核聚变实验堆i t e r ( i n t e r n a t i o n a lt h e r m o n u c l e a re x p e r i m e n t a l r e a c t o r ) 计划是由美国总统里根和前苏联领导人戈尔巴乔夫于19 8 5 年在日内 瓦峰会上倡议的，该项计划由美、苏、欧、日共同合作，目的是建造一个可自 持燃烧的托克马克核聚变实验堆。美、苏、欧、日四方通过国际合作于1 9 8 7 年开始进行i t e r 设计，并于1 9 9 0 年完成i t e r 的概念设计；于1 9 9 8 年完成了 i t e r 的工程设计和部分技术预研，预计其建设投资将近1 0 0 亿美元。i t e r 计 划的实施于2 0 0 3 年进入实质性谈判阶段，中国也在此时正式加入此项计划，同 日、欧、俄、美、加、韩六方( 加拿大在2 0 0 4 年宣布退出i t e r 计划) 共同就 i t e r 的组建机构、选址和各种章程进行谈判，谈判于2 0 0 4 年结束。次年，将 i t e r 地址定在法国的c a d a r a c h e ：而日、欧、俄、美、韩、中、印七方于2 0 0 6 年正式签订了建造i t e r 装置有关的协议，协议计划用1 0 年的时间建成i t e r 装置，并保证装置至少运行1 0 年，将于2 0 2 5 年之前建成一座原型聚变堆并投 入运行。 我国开发聚变能的一个重要战略步骤就是中国加入i t e r 计划。通过参与 i t e r 的建造，我国可以全面掌握热核聚变相关的技术和知识，有可能在较短的 时间达到热核聚变研究的世界先进水平，从而加快我国开发聚变能的进程，为 我国自主地研发核聚变示范电站奠定基础。在i t e r 的建造中，中国主要的任 务是制造实物部件( 实物部件占将近8 0 ) ，通过建造i t e r ，可以大大的提高 国内企业的国际竞争能力和企业自身的技术能力，同时i t e r 对国内聚变工程 科技人才的培养也功不可没。 i t e r 的目的是建立一个聚变反应堆( 结构图如图1 2 所示) ，其功率可以 达到5 0 万千瓦、等离子体的最小半径为2 m ，最大半径为6 m 、等离子体内通有 l5 0 0 万安培的电流、等离子体的约束时间最少为4 0 0 秒。i t e r 的主要部件有： 真空室及其内部部件、内外冷屏、外真空杜瓦、超导磁体系统以及磁体馈线系 统。 3 图1 2i t e r 装置结构图 1 2i t e r 馈线系统研究现状 1 2 1i t e r 馈线系统介绍 馈线系统( f e e d e r ) 是为i t e r 装置的超导磁体( i t e r 装置中的超导磁 体包括t f 、p f 、c s 、c c 等) 进行供电、冷却和测量诊断的系统。馈线系统是 由超导母线( b u sb a r ) 、冷却管和测量管等组成的一整套系统。i t e r 作为大型 超导磁体系统，其磁体线圈与控制测量系统、电源系统、低温系统等外围系统 相距较远，因此设置一个独立的馈线系统来向磁体提供电流、低温冷却液和进 行数据信号的传输是十分必要的。设置独立馈线系统有以下优点：一是输送电 流时运用的是超导体，减小了电源供应系统的载荷量；二是馈线可以单独安装， 从而方便了主机的安装；三是增加馈线系统后，其内部的结构，如电流引线等 均可以布置在i t e r 的外围，从而节省主机杜瓦内部的空间；四是如果线圈发 生失超，磁体系统可以通过馈线系统释放能量，这样就提高了整个磁体系统在 运行时的安全性能【7 。8 】。i t e r 装置共有31 套不同的磁体馈线系统，分别位于磁 体顶部和底部区域，按照作用磁体不同，馈线系统可分为四类：校正场线圈馈 线系统，极向场线圈馈线系统、中心螺线管线圈馈线系统和纵场线圈馈线系统。 其安装位置如图1 3 所示。 4 图1 - 3i t e r 馈线系统总体布置图 根据最后谈判结果和截止到2 0 1 0 年初i t e r 组织及各方认同的采购安排调 整，中方目前承担的采购任务( 采购包) 有1 2 个，其中磁体馈线系统f e e d e r 作为磁体采购包之一，由i t e r 组织提供功能指标( f s ) ，我方提供详细的设计并 完成制造任务。 1 2 2中心螺线管线圈馈线系统结构 中心螺线管线圈( c s ) 馈线系统是i t e r 馈线系统中的重要组成部分，c s 馈线系统设计制造的质量将直接影响到中心螺线管线圈能否正常运行工作。 c s 馈线系统从i t e r 装置外部连接到c s 磁体，整个c s 馈线系统从外到 内依次穿过生物屏蔽层、杜瓦、冷屏等装置。c s 馈线系统共6 ，分为顶部区域 和底部区域，为中心螺线管线圈供应电源、冷却液等。其结构如图1 4 所示， 从图中可以看出，由装置外部到连接c s 磁体部分，c s 馈线可分为四大部分： 线圈终端盒( c t b ) 、s 弯盒( s b b ) 、过渡馈线( c f t ) 和内馈线( i c f ) 。 图1 4c s 磁体馈线结构图 c s 内馈线系统位于8 0 k 冷屏内部，是连接c s 磁体终端和c s 过渡馈线的 子系统：c s 过渡馈线贯穿杜瓦和生物屏蔽层，是馈线中的冷却管、测量线和超 导母线等贯穿杜瓦和生物屏蔽层的通道；c s 的s 弯盒用来吸收冷收缩时超导母 线和冷却管产生的位移；线圈终端盒在生物屏蔽层的外侧，为磁体系统、低温 车间、数据采集系统、电源和低温控制部件的连接提供屏蔽保护。每条c s 馈 线内部有一对超导母线( b u sb a r ) 、3 根冷却管( 两根冷却进管，一根冷却回管) 和7 根测量线，为c s 磁体提供电流、冷却液和诊断线等。 1 3本课题研究的意义、内容及预期目标 在国际热核聚变实验堆( i t e r ) 中，超导磁体馈线系统( f e e d e r ) 是不 可缺少的重要系统之一，其主要功能是向i t e r 超导磁体系统输送用于驱动磁 场的电能，输送超低温冷却剂以降低并控制温度，包纳、引出磁体线圈的测量 线缆。其中c s 磁体馈线系统是为c s 磁体系统提供电流、冷却和测量诊断等， 它的设计涉及到机械结构、电磁学、低温传热学和真空及材料等多学科方面的 知识，它的质量直接影响到c s 磁体能否正常运行。c s 馈线从结构上可以分为 四大部分：内馈线( i c f ) 、过渡馈线( c f t ) 、s 弯盒( s b b ) 和线圈终端盒( c t b ) 。 其中内馈线系统位于8 0 k 冷屏内部，是连接c s 磁体终端和c s 过渡馈线的子 系统。c s 内馈线由于受到空间的限制并考虑到其工作环境的特殊性，设计制造 难度将会增加。 本课题来源于国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目：国际热核聚 变实验堆( i t e r ) 大型超导磁体馈线研究。其意义是通过对c s 内馈线系统的 结构设计和重要部件的分析，保证c s 内馈线结构上的合理、可靠，提高设计 水平，减小制造装配中的错误率，减少返工，使c s 馈线尽早安全可靠地在i t e r 上运行。在设计中要达到以下要求：测量管、冷却管和超导母线( b u sb a r ) 布 6 线合理；合理的设计管道支撑和b u s b a r 支撑；由于整个f e e d e r 是悬空的，还要 考虑外支撑的安放位置和外支撑的形式，并且要考虑以后的可维修性。并在此 基础上对重要部件进行分析，优化内支撑和外支撑的结构，优化外支撑的安装 位置。 针对内馈线的主要用途和工作环境，本文研究的主要内容为： 1 c s 内馈线的结构设计：包括内馈线的整体走向；外管的连接形式；冷 却管、测量管和b u sb a r 的布置形式；b u sb a r 支撑和管道支撑的结构和分布距 离；接头部分，包括内馈线和过渡馈线的接头以及内馈线和中心螺线管磁体终 端的接头；内馈线外支撑。 2 c s 内馈线重要部件的分析：超导母线及其支撑的结构分析；管道支撑 的结构分析；超导母线支撑和管道支撑分布距离的分析；万向节对c s 内馈线 整体结构的影响。 本课题的预期目标是：完成c s 内馈线的结构设计，确保其结构合理。完 成c s 内馈线的接口设计。完成c s 内馈线重要部分的结构分析，并且验证方案 的可行性。 7 第二章c s 内馈线系统的结构设计 在i t e r 装置中，超导馈线系统( f e e d e r ) 是一套独立的供应系统，是为 了确保i t e r 装置能够正常运行而设置的，主要完成向磁体系统提供冷却、传 输电流和测量控制诊断等任务。它包含内馈线、过渡馈线、s 弯盒与线圈终端 盒，其中内馈线位于主机杜瓦内部，是连接磁体终端和过渡馈线的子系统。内 馈线系统处于低温、真空环境，且处于磁场强度最大的主机杜瓦内部，安装空 间也非常有限，所以内馈线系统的设计、安装要求比较高，相关的结构设计也 要给出一定的裕度，以保证内馈线系统安全可靠的运行。 2 1内馈线系统的设计要求及准则 2 1 1内馈线系统的设计输入条件 c s 内馈线作为c s 馈线的一部分，根据馈线系统功能说明文件【9 1 ，它的设 计输入条件如表2 1 所示： 表2 1c s 内馈线系统设计输入条件 在最恶劣的工况下，施加在馈线b u sb a r 上的力由i x b 确定。c s 内馈线受 力情况如表2 2 和表2 3 。 表2 - 2 馈线b u sb a r 与b u sb a r * 之间的相互作用的最大洛伦兹力估值 线圈最大电流 b u sb a r 直径和 由另一反极单位长度上b u sb a r 与 ( k a ) 两b u sb a r 之间性b u sb a r 产 b u sb a r 之间的排斥力 的中心距生的最大磁 ( t o n s m ) * ( m m m m )场( t ) c s4 5 54 0 6 00 2 31 0 4 幸通常情况下力的方向是两根b u sb a r 的水平方向； 表2 3 由外磁场产生的作用于内馈线b u sb a r 上的最大洛伦兹力估值 掌力的方向可以在b u sb a r 的任何位置定位( 取决于作用于相应的b u sb a r 上 的磁场方向) ： 幸事由一根b u sb a r 的洛伦兹力乘0 2 m 的力臂得到一根b u sb a r 的扭矩( 再乘 2 得到总扭矩) 。 c s 内馈线结构设计的主要载荷条件是根据在最恶劣工况下的磁场强度估 算的c s 超导母线上的最大电磁力，其值约为1 2 5 t m ：而传热限制条件是根据 整条馈线按比例计算出的。单根h e 管在c s 馈线中的总温升为0 0 5 k ，由此计 算出整条馈线热负荷的最大值约为1 0 0 w ，所以c s 内馈线中的最大热负荷约为 1 0 w 。 c s 内馈线设计输入条件需参考馈线系统功能说明文献【9 】，内馈线系统超导 母线和冷却管的布局如图2 1 所示，从图2 1 中可以看出，它包括两根超导母 线、两根冷却进管和一根冷却回管。 9 图2 1c s 馈线布线流程图 c s 内馈线系统中的两根超导母线是由过渡馈线进入内馈线，最终连接到每 匝c s 线圈上，电流从一根超导母线上流入c s 磁体，再从同一个c s 内馈线的 另一根超导母线流出。这样一条c s 馈线就可以供应一匝c s 磁体。 每组c s 内馈线系统有三根冷却管，其中两根冷却进管，一根冷却回管。 两根冷却进管中一根为磁体提供冷却，另一根为跳线提供冷却。最后这两根冷 却管中的冷却液由同一根冷却回管流出。 每组c s 馈线系统对应供应每匝c s 线圈。图2 2 为c s 磁体线圈和其馈线 系统中超导母线的配对图，每对母线负责供给每匝c s 线圈电源。 c 劈y 0