（热能工程专业论文）east大型托卡马克装置纵场超导磁体热负荷的计算与实验.pdf

摘要 e a s t ( e x p e r i m e n t a la d v a n c e ds u p e r c o n d u c t i n gt o k a m a k ) 超导托卡马克核 聚变实验装置，是国家大科学工程建设项目。纵场( t o r o i d a lf i e l d ) 磁体系统是 e a s t 装置的重要组成部分，它是采用以n b t i c u 为超导材料的o c c ( c a b l ei n c o n d u i tc o n d u c t o r ) 绕制而成。采用超临界氦迫流冷却，使得线圈的工作温度维持 在3 8 k - 、- 4 5 k 。 本文根据纵场线圈的结构和工作温度，分析和计算了在稳定状态下由热传导、 热辐射等产生的热负荷。计算结果显示：在纵场磁体温度为3 8 k - - - 4 5 k 的稳定 工况下，热负荷值达到了3 9 2 8 w ，其中由内外氮屏对磁体的热负荷、稀薄气体传 导热和核热是热负荷的重要组成部分，大约占到了整个热负荷的9 6 。而冷凝 吸附热、接头电阻热和电流引线引起的焦耳热则占了很小的一部分。 在等离子体放电过程和等离子体破裂后交流损耗在1 5 m s 韵时间内每单位长 度上的平均损耗达到了1 8 j m ，总的交流损耗产生的热量达到了4 3 7 5 w 。 纵场线圈的氦流量至少保持在1 9 6 9 s 以上，才能一直维持3 8 k - - 一4 5 的稳定 状态，防止线圈温度升高出现失超现象；纵场磁体在等离子体破裂时，当流量维 持在2 1 8 9 s 才能使线圈的温度在等离子体破裂后3 分钟内恢复，并且氦流的进 出口温差控制在0 5 k 左右。文中还给出了在磁体从3 0 0 k 到8 0 k 的预冷过程中， 纵场线圈所需要的冷却氦流的质量流量随着温度变化的曲线。 、 纵场磁体冷却实验成功的模拟了磁体在运行过程中的工况。实验进行了抽真 空及检漏，装置总体漏率及分系统漏率测定、装置降温及相关热工水力性能测试、 接头电阻的测量的实验，得到了包括冷却回路流量、压力、温度、热负荷等关键 性能参数在内的各项指标。实测接头电阻值均小于2 x 1 0 q q ；装置主机的真空 维持在了1 0 一1 0 p a 之间；在3 0 0 k - - - 8 0 k 的降温过程中，平均降温速率约为 1 0 2 k h ，在8 0 k 一- 4 5 k 的降温过程中，平均降温速率为0 4 5k l l ；在稳定状态 下，纵场磁体系统总的氦流量为1 9 2 9 s ，这些数据都将为e a s t 的首次运行提供 宝贵的经验。 关键词：e a s t 超导托卡马克纵场磁体系统迫流冷却热负荷 c a l c u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t so ft h et fm a g n e t sh e a tl o a d o ne a s t a b s t r a c t s t h ee a s ti saf u l l ys u p e r c o n d u c t i n gf u s i o ne x p e r i m e n t a ld e v i c e ，a n di th a sb e e n f u n d e da san a t i o n a lm e g s c i e n c ee n g i n e e r i n gp r o j e c t t h et o r o i d a lf i e l d ( t d m a g n e t si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a i l so fe a s t i ti sm a d eo fn b t f f c uc a b l ei n c o n d u i tc o n d u c t o r ( c i c c ) t h e ya r ec o o l e dw i t hf o r c e df l o ws u p e r c r i t i c a lh e l i u ma n d t h e w i n d i n g ss h o u l do p e r a t ea tt h et e m p e r a t u r ef r o m3 8 kt o4 5 k c o n d u c t i o n ，c o n v e c t i o na n dr a d i a t i o nc a nb r i n gh e a tl o a d w h e nt h e i tm a g n e t s w o r ka tt h et e m p e r a t u r eo f3 8 k 一4 5 k , t h eh e a tl o a di s3 9 2 8 wi nw h i c ht h eh e a tl o a d f r o mn i t r o g e ns c r e e n ，r a r e f a c t i v eg a sa n dn u c l e a rh e a ta r et h em a i n l yc o m p o si o n ， a b o u tn i n e t y s i xp e r c e n to fi t t h et r a n s i e n tt h e r m a la n a l y s i si st oc a l c u l a t et h ea l t e r n a t i n gc u r r e n t ( a c ) l o s s e s d u r i n gp l a s m ad i s c h a r g ea n da f t e rp l a s m ad i s r u p t i o n t h ec a l c u l a t i o n s s h o wt h e a v e r a g el o s s e si sa l m o s t1 8 ma n dt h et o t a lq u a n t i t yo fh e a tc a l lr e a c ht o4 3 7 5 w t h ep r o c e s so ft h el o wt e m p e r a t u r es y s t e mi st ot a k ea w a yh e a tl o a do ft fa n d p r o v i d es o m ew e th e l i u mt oc o o lt h ec u r r e n tl e a d t h e nt h es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t s c a nw o r k s t e a d i l yi nt h en a t u r a lo rd i s t u r b e ds t a t e ar e c o m m e n d a t i o no ft h et o r o i d a l f i e l d sc o o l e df a s h i o ni ss t a t e di nd e t a i li nt h ep a p e r t h ep a p e ra l s oc a l c u l a t e dt h e n e c e s s a r yh e l i u mm a s sf l o wr a t ef o rt fc o i ld u r i n gc o o l i n gt h em a g n e tf r o m3 0 0 kt o 8 0 k t h em a s sf l o wa l s os h o u l dk e e p1 9 6 9 sa tt h et e m p e r a t u r eo f3 8 ka n d2 1 8 9 s a f t e rp l a s m ad i s r u p t i o n ag o o dp e r f o r m a n c eo fm a g n e ti sa c h i e v e ds u c c e s s f u l l yd u r i n gt h ec o o le x p e r i m e n t o nt o r o i d a lf i e l d s o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fm a g n e t ，s u c ha st h e p r e s s u r e ， t e m p e r a t u r e ，t h eh e l i u mf l u xa r em e a s u r e d t h er e s i s t a n c eo fj o i n ti sl e s st h a n2 x 1 0 9 0 ，a n dt h ep r e s s u r ei nt h em a c h i n ea l w a y sm a i n t a i n1 0 4 1 0 一p a t h ev e l o c i t yi n t h ep r o c e s so fc o o l d o w nf r o m3 0 0 kt o8 0 ki s1 0 2 k h b u tf r o m8 0 kt o4 0 kt h e v e l o c i t yi ss l o w e r ，i t sj u s to h l y0 4 5k h t h ed e f e r e n c e b e t w e e nt h e mi sb e c a u s e ( f f t h es h r i n k a g eo fs t a i n l e s ss t e e l t h e s ed a t aa r ev e r ys i g n i f i c a n tf o rt h ef i r s to p e r a t i o n o fe a s t k e yw o r d s ：e a s ts u p e r c o n d u c t i n gt o k a m a k ，t o r o i d a lf i e l dm a g n e t ，f o r c e d f l o wc o o l i n g ，h e a tl o a d i i i b 刀f r p q ，q h t v f 擅 场强t 平行磁场的变化率 直径 压力 热量 气体的焓 温度 体积比率 时间常数 流量 希腊字母 o o 波兹曼常数 辐射率 表示直径 下标 n s 氮屏 m a g磁体， o 、r 外真空室 i n s内氮屏 o n s 外氮屏 s c 股线 符号表 m mm p a w k j k g 氛， - w ( m 2 k ) 4 m m 垂直超导线的磁场t 电流 辐射面积 导热系数 抽速 交流损耗 长度 电流密度 北热容 质量 | l 真空磁导率。 f l 扭距的时间常数 由 比率 p 电阻率 绞缆级数 临界 定压 辐射热 出 进 a m 2 形( m 。k ) 蔷 s j m 3 柚 u 0 k j ( k ) - k g ，1 4 i a 童 s e l j c m n c p 删 叫 璺 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：缗串 日期：硼口占年j 月2 oe l 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学大学可以将本学位论文的全 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密区 学位论文作者签名：弓泰主粤 日期：，6 年俘月媚 指导教师签名：名绲事委 日期：枷7 年五月抑目 东华大学硕士论文第一章e a s t 超导托卡马克装置结构 第一章e a s t 超导托卡马克装置结构 e a s t ( e x p e r i m e n t a la d v a n c e ds u p e r c o n d u c tin gt o k a m a k ) 是一个全超导的 可控核聚变装置，是国家“九五”重大科学工程。它是世界上第一个可实现稳态 运行、具有全超导磁体和主动冷却第一壁结构的托卡马克。我国于1 9 9 8 年7 月 正式立项，2 0 0 0 年1 0 月开工建设，2 0 0 5 年底完成了主机总装以及各分系统的研 制和安装工作。i t e r ( i n t e m a t i o n a ll n n e r m a l - n u c l e a re x p e r i m e mr e a c t 0 0 “国际热 核实验反应堆 是1 9 8 5 年开展的一个核聚变研究的国际合作计划，i t e r 的建 设地点在法国南部的卡达拉舍。2 0 0 6 年9 月我国正式加入i t e r ，正式启动人类 依靠核聚变解决能源危机阎题的国际大科技合作计划。 托卡马克( t o k a m a k ) 是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它是 一个由封闭磁场组成盼“容器 ，像一个中空的面包圈，用来约束电离了的等离 子体。它的名字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( m a g n i t ) 、 线圈( k o t u s h k a ) ，是苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿奇莫维奇在1 9 5 4 年建成 了第一个磁约束装置。， 1 1 绪论 1 1 1 世界核聚变的发展和研究 托卡马克的发展首先从常规托卡马克开始。原苏联在5 0 年代中己经开始原 型托卡马克装置的研究工作n 2 3 ，1 9 5 4 年第一个托卡马克装置实现了个别的聚 变反应，但聚变反应产生的能量极微。直到1 9 7 0 年，前苏联在另一个托卡马克 装置上，才有可以察觉到的聚变能量输出。1 9 6 8 年库尔恰托夫研究所( k u r c h a t o v i n s t i t u t e ) 公布的的t 一3 ，t 一4 等装置中的参数比当时的美国仿星器装置 s t e l a r a t o r c 中的参数明显提高。世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮口4 1 ， 托卡马克装置得到重视和发展。1 9 7 0 年前后美国将p p p l 仿星器c 改建成为托卡 马克s t ，并同时在m i t ，t e x a s 大学，g a 公司等处建造了有各自特点的托卡马克 装置7 0 年代中，建立了较大规模的装置，如美国的p i t ，原苏联的t - i o ，德国 的a s d e x 及t e x t o r 等装置。 东华大学硕士论文第一章e a s t 超导托卡马克装置结构 5 0 年来，全世界共建造了上百个托卡马克装置，美国、欧洲、日本、苏联 建造了四个大型托卡马克，即：美国1 9 8 2 年在普林斯顿大学建成的托卡马克聚 变实验反应堆( tf ，i - r ) ，欧洲1 9 8 3 年6 月在英国建成更大装置的欧洲联合环( j e t ) ， 日本1 9 8 5 年建成的j t 一6 0 ，苏联1 9 8 2 年建成超导磁体的t 一1 5 。 它们后来在磁约束聚变研究中做出了决定性的贡献。特别是欧洲的j e t 已经 实现了氘、氚的聚变反应。1 9 9 7 年9 月2 2 日创造了核聚变输出功率1 2 9 兆瓦 的新记录。不久输出功率又提高到1 6 1 兆瓦佰1 。 1 1 2 我国的核聚变研究发展和现状 8 0 年代初，等离子体物理所和西南物理研究院分射在已经建成盼册一雠和 h l l 两个装置上开展了欧姆加热、波驱动电流、波加热、改善等离子体约束等 方面的实验。ht 一6 m 在离子回旋共振加热、电子匾旋共振加热、利用表面加热 实现l h 模转化以及多项等离子体实验方面做出了突出成绩。北京物理所c t - 6 b 托卡马克交流运行实验、e c c d 实验、中国科技大学k t 一置低频波加热实验、c 0 2 激光散射诊断等方面也有好的成绩。 1 9 8 4 年9 月，我国第一台中型聚变装置中国环流器一号在四川乐山市 郊建成。该装置是托卡马克型，达到国外2 0 世纪7 0 年代的水平。 1 9 9 4 年底，我国第一个超导托卡马克装置h t 一7 投入运行，标志着我国磁约 束聚变研究进入了一个新时期。 中国是继法国、日本和俄罗斯之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家。中 国科学院等离子体物理所拥有的超导托卡马克h t 一7 装置6 ，到2 0 0 1 年底，达 到放电时间长约2 0 秒的实验水平。目前，中科院等离子体所研制的大型全超导 托卡马克h t 一7 u 环向电流可达到1 m a ，加热功率可以达到1 0 m w 。 1 2 超导托卡马克装置 在超导托卡马克实验装置中采用超导磁体有许多优点，从长期使用的角度来 看，超导磁体能耗小，成本低，是一种理想的磁体。由于超导磁体的零电阻特性， 处在超导状态时几乎不产生热，因此在不失超的情况下，承载电流很大而又几乎 不产生能量消耗，实现了我们所希望的强磁场低能耗的要求。而常规托卡马克磁 2 东华大学硕士论文第一章e a s t 超导托卡马克装置结构 体采用铜线绕制，如果用它来作为聚变堆的磁体，损耗功率将耗去聚变堆功率输 出功率的绝大部分。 事实上，世界上托卡马克的研究重点已经从常规托卡马克转移到超导托卡马 克上。世界上有多个国家正在积极开发全超导托卡马克装置。由美、日、欧、俄 等国于8 4 年开始联合设计的“国际热核实验反应堆i t e r ( i n t e r n a t i o n a l t h e r m a l n u c l e a re x p e r i m e n tr e a c t o r ) 把研究推向深入m 。韩国在美国t p x 的 基础上建造的全超导托卡马克装置k s t a r 阻们( k o r e a ms u p e r c o n d u c t o rt o k a m a k a d v a n c e dr e s e a r c h ) 大有后来居上的态势，是在美国的t p x n 仉1 1 j 2 1 的基础上正在 建造的一个先进运行模式全超导托卡马克装置。表1 - 1 给出了国际上已经建成的 超导托卡马克装置白畦要参数n 3 一钔。 表卜lt o r es u p r a , t - 1 5 ，t r i m - i m ，h t - 7 超导托卡马克装置参数 面对新的国际形势，我国决定开发全超导托卡马克装置h t - 7 u n 副。这些目前 正在和将要建造的超导托卡马克装置参数如表卜2 所示n 乱1 7 1 町。 3 东华大学硕士论文 第一章e a s t 超导托卡马克装置结构 表1 - 2 世界上正在建设中的超导托卡马克装置的设计参数 1 3e a s t 托卡马克装置简介 e a s t 装置主机主要由超导极向场磁体系统、超导纵场磁体系统、真空室、 冷屏以及外真空杜瓦以及支撑结构所组成。如图l - 1 所示。其中超导磁体系统是 由1 2 个圆形超导极向场和1 6 个d 形超导纵场磁体组成，以提供稳态的等离子体 约束、成形和平衡所需的稳定磁场。 1 3 1 超导极向场 超导极向场( p o l o i d a lf i e l d ，简称 p f ) 作用是提供等离子体的加热、偏滤器 位形和平衡。整个极向场磁体系统由上下 对称分布的中心螺管和三对大线圈组成， 采用全超导设计方案。以等离子体双零位 4 图1 1e a s t 装置的主体结构 圈 东华大学硕士论文第一章e a s t 超导托卡马克装置结构 形为基础，通过改变各线圈电流的大小以及方向也可作单零运行。极向场三对大 线圈的摆放考虑到为真空室留下尽可能大的窗口颈管空间易改善装置的可近性。 极向场可提供约9 3 v s 的伏秒数，产生并控制1 m a 1 5 m a 的等离子电流，其 最大磁场变化d b d t 7 t s ，线圈上最大的匝电流i p 1 4 k a ，最高场强b p m a x d 时，通过气体分子与平壁之间， 的碰撞进行能量交换；另一种是当l m b 。时，磁通将穿透进非理想第1 i 类超导 体内。这时磁通线不断地进、出超导体，磁通的运动将在超导体中沉积一定的磁 化能，称为磁滞损耗。这种损耗实质上是磁通线往复运动克服钉扎造成的摩擦阻 力所消耗的功。 2 7 2 1 横向磁滞损耗： 在外磁场垂直于超导线时，产生横向磁滞损耗，其大小可表示为h 3 。： 局- = 姜砌( 1 + i 2 ) f b d t j m 3 ( 2 2 3 ) 其中咖是细丝直径，i = 乡么，i o - j c 分别表示运行电流和临界电流， 东华大学硕士论文 第二章纵场线圈的传热计算与分析 b n 表示垂直超导线的磁场，j o 表示超导股线的临界电流密度。 2 7 2 2 纵向磁滞损耗 在外磁场平行于超导线时，产生横向磁滞损耗，其大小可表示为m ： 一 西z = 丢均膨 j m a ( 2 2 4 ) 曰r 表示平行超导线的磁场，j o 表示超导股线的临界电流密度，d 谚是细丝有效直 径。 2 7 3 等离子体破灭时纵场系统( t f ) 线圈中的交流损耗 当等离子体破裂时，由于线圈中的涡流损耗与磁场变化率有关，因此在求解 线圈上磁场及线圈损耗时，只需考虑等离子体电流和真空室感应电流在线匿上产 生的磁场。图2 6 为当等离子体电流从1 o m a 以时间常数t = 3 m s 衰减时线圈上 两个特定部位磁场随时间变化情况。大约在t = 1 5 m s 时，等离子体电流衰减接近 于零，但由于真空室感应电流的作用，线圈上的磁场仍然维持一定数值。 我们可以e h 图2 6 计算等离子体破灭时阳2 出和几珧大小的计算。等离 ， 子体破灭时电流衰减的时间常数z ，没有真空室时，等离子体破灭时电流衰减的 时间常数v , = 3 m s ，有真空室时，由于真空室感应电流的作用，电流衰减的时间常 数v 2 = 1 5 m s ，有真空室时z 的增大是由于真空室感应电流的作用引起的，本文采用 z = v 2 = 1 5 m s 。等离子体破灭时电流衰减为零的时间了= 5 0 m s = 0 0 5 s ，此值给出 了积分区间 o ，0 0 5 。 东华大学硕士论文第二章纵场线圈的传热计算与分析 b ( d ，：，：9旦一l一一一一一一一一i i 一一一一 一 ： ： ui vzu,3uwj v删1 u o u7 v t ( m m ) 图2 6 等离子体破裂时线圈上磁场随时间变化 等离子体破灭时磁场的变化规律如图2 7 2 所示，统是与c l c c 纵向垂直的 磁场，它的变化是导体产生交流损耗主要原因。e 是c i c c 纵向平行的磁场， 它的变化对导体产生交流损耗比较小。根据图2 - 6 我们可以计算等离子体破灭时 瞄2 衍大小的为： 一 i 岛2 栅= 0 4 8 t 2 s ( 2 2 5 ) 同时我们可以计算等离子体破灭时，赢衍和，占，d t 的大小 一 i 础- - 0 1 2 t ( 2 2 6 ) j 鼬= 0 4 5 t ( 2 2 7 ) 2 7 4 纵场磁体系统交流损耗的计算 e a s t 纵场磁体系统超导股线选用的是俄罗斯生产n b t i c u 复合线，制成不 锈钢电缆导体，简称c i c c 导体。其性能参数如下表： 2 5 眦 叭 。 引 眈 东华大学硕士论文第二章纵场线圈的传热计算与分析 c i c c 导体的是由四级子缆构成：第一级子缆由2 根n b t i c u 般线和2 根铜 线绞制而成，然后3 根一级子缆构成二级子缆，4 根二级子缆构成三级子缆，5 根三级子缆加上置于中心的铜芯( 含有2 1 根铜线) 构成最终的第四级子缆，然 后用0 i m m 厚的不锈钢薄带用半迭包的形式加以保护，最后穿入3 1 6 l n 不锈钢管 中挤压成型。因此其结构形式为：( 2 s c + 2 c u ) x 3 x 4 5 + i c c c * 。另外，在超导 线和铜线表面热敷了2 - - - , 4i jm 厚的p b - 3 0 s n - 2 s b 合金，使得金属股线之间的接触 电阻控制在一定的范围内，限定耦合电流的大小。结构如图2 7 所示。 图2 7t f 线圈的结构图( 2 s c + 2 c u ) 3 x 4 x5 1 n ns s t o d p o v e r t = p p l n g 表2 5 ，2 6 分别给出了t f 导体的结构参数和设计计算性能参数。 东华大学硕士论文第二章纵场线圈的传热计算与分析 表2 - 5 纵场磁体( t f ) 的主要设计技术参数 参数数值 电缆配置 超导线( s c ) 股数 铜线( c u ) 股数 超导线直径( 咖) 铜线直径( 咖) 运行电流比值i i c 铜线r r r 值 超导体铜线表面镀层的厚度( pm ) 超导体n b t i 的面积a m 。( 珊n 2 ) 氦的流通面积a 抽( r a m 2 ) 导体总的铜超比c u s c 铜所占的比分氐 非铜所占的比分啪一q 导体空隙比率v f ( 2 s c + 2 c u ) x 3 x 4 x 5 - t - 1 c c c * 1 2 0 1 2 0 + 2 1 冲睥 0 8 7 0 9 8 0 2 8 1 0 0 2 , - - - , 4 3 1 5 1 7 9 7 6 4 1 4 9 0 7 0 5 4 o 1 1 9 0 3 4 1 * c c c 为铜缆芯；木牢2 1 为铜缆芯中铜线的股数 表2 6 纵场磁体( t f ) 的绞缆参数 2 7 4 1 耦合损耗： 第一步：求股线的时间常数 铜的电阻率： 东华大学硕士论文第二章纵场线圈的传热计算与分析 p c n = p 。o + 0 2 x 1 0 1 0 b 1 7 1 0 8+ 0 2 x 1 0 1 0 3 5 ；2 4 x l o 一1 0q m 1 0 0 1 + a p 2 p c u 1 - a 。2 4 1 0 - 1 。x 1 + 0 1 1 9 ：3 0 4 8 1 0 一l 。i 埘 1 0 1 1 9 对于n - - o ，时间常数p o 为： 矶2 芸毫) 2 ；羔坠塾1 0 x 1 0 - 3 ) 2 ；0 0 1 2 1 0 k ；_ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ 。一 = xji ，w 2 2 4 x 1 0 1 0 x 1 2 7 2 n 在( 2 s c + 2 c u ) x 3 x 4 x 5 电缆导体的第一级子缆中，外加了2 根细铜线， 增大了铜横截面积和冷却周界，提高了电缆的稳定裕度，增加了导体的稳定性。 为了使电流在超导股线之间均衡又不至于使股线之间的耦合损耗过大，在超导线 与铜线表面镀电阻率较高的钎料并使超导股线与铜线结合在一起，钎料厚度2u m ，成份为p b 3 0 s n 一2 s b ( 或9 5 s n + 5 a g ) 。它的电阻率为几= 7 8 x l o - s w m ，股线 表面相互接触高阻层的厚度为e b = 4 x l o 。6 m ，那么电阻率与高阻层的厚度的乘积 p b e b = 3 1 2 x l o _ 3 m 2 。五为超导体的临界电流密度( 不包括铜线的电流密度) ，其 值为1 9 5 7 x 1 0 9 a m 2 。股间的接触面积的比率取1 = 1 ，2 - - 0 1 ，3 - - 0 0 7 ， 4 - - 0 0 7 ，这是因为第三级子缆没有用不锈钢带进行花包，股间的接触面积比 较大。 第一级绞缆的扭距长度： 1 + ；l l 一竺l o r o ；5 0 1 0 - 3 一q ：璺z 兰! q ：x 1 0 x l o - 3 ：4 6 2 1 0 - 3 班 2 2 4 3 x 1 0 3 第一级绞缆的横向有效电阻率： 东华大学硕士论文 第二章纵场线圈的传热计算与分析 i l i b f f b p 1 = 二一 。 q ) t r o ；兰：! 兰兰! q ：= ；2 一1 8 x 1 0 砌咖= 。= - 2 二o上us 三历 1 1 1 2 1 5x 1 0 。 第一级绞缆的时间常数： 芸玺，2 熹 ；一鲨墼( 4 6 2 x 1 0 - a ) 2 上；4 2 9 8 m s ；。_ _ _ _ _ _ l i _ _ - - - - - - _ - _ - - - - - 一- - - _ - _ i _ - _ _ _ 一= 2 x 2 7 8 x 1 0 1 u妨l 一0 3 4 1 第二级绞缆的扭距长度： 2 ；l 2 - 旦三l r 1 ：8 6 1 0 - 3 一圣：丝兰! 骘5 0 x i 0 4 。6 2 8 i 1 0 - 3 聊48 3 1x 1 0 - ： 第二级绞缆的横向有效电阻率： l j b c b 0 2 = ：一 舻2 尺l ：兰：! 圣兰! 鲨= ：1 2 9 x 一1 0 羽咖= = - = 土么y 上u 苫二历 0 1 x2 4 1 5 1 0 - j 第二级绞缆的时间常数： 秽2 ；旦擘) 2 土 2 p 2 劢。1 - - v 1 ；上些型二( 6 2 8 x 1 0 - 3 ) 2 一兰一；1 7 1 2 m s 2 x 1 2 9 x l o 一1 u肋1 0 3 4 1 第三级绞缆的扣距长度： l 3 ：上3 一二三三2 r 2 ；11710。一48丽31x10-s8610：713xlo一3臃911 0 - 2 第三级绞缆的横向有效电阻率： i d 3 ：一p b e b ：j 坐笔= 9 8 x 1 0 - 1 。x 锄 p 3 = 一= 7 苫z ，刀 够3 尺2 0 0 7 x4 5 5 1 0 。 2 9 东华大学硕士论文 第二章纵场线圈的传热计算与分析 弟二级级缆阴时1 日j 常毅： 口，；旦拦) z 上 2 p 3 、知71 - - 1 2 ；三墼( 7 1 3 x 1 0 - 3 ) 2 上：2 9 m s = 一 一= 、，刀y 2 x9 8 x 1 0 1 u2 z 1 0 3 4 1 第四级绞缆的扭距长度： 五4 。；l a - 旦三3 r 3 每2 0 0 ) ! c 1 0 - 3 一9 1 x 1 0 - = - 3 1 1 7 1 0 - 3 士1 4 9 3 x 1 0 - 3 仇 第四级绞缆的横向有效电阻率： d b e b p 4 搴二一 。 - i p 4 r 3 警煮竺竽竽4 2 4 1 0 。1 0 锄 d 。0 7 1 0 5 1 0 - 3 第四级绞缆的时间常数： 8 4 。卫譬) 2 上 2 p 4 、2 a ：7 1 一 ，3 芋上些型二( 1 4 9 3x 1 0 - 3 ) 2 一l ：2 9 4 3 1 m - r 4 s 篁一- _ _ _ - _ l - _ _ 一= 、? 2 4 2 4 x l o 一1 u2 z1 0 3 4 1 表2 7 纵场系统( t f ) 各级子缆的交流损耗时间常数 奎兰查兰堡主丝苎 第二章纵场线圈的传热计算与分析 二一：= = ：= ：= ： 第二步求交流损耗 横向耦合损耗： 晟。；丝瞄：d t “0 ， ；= 2 x 3 9 5 4 了1 0 4 8 2 9 1 x 1 0 j = 3 7 9 5 9 m j c m 3 纵向耦合损耗： 1 e c 2 = 二九j 出汊盯o 8 = 三0 1 1 9 x 1 9 5 7 x l ox 5 8 x 幼厂0 2 p 1 & ，1 0 1 1 9 x 1 9 5 7 x 1 0 9x 5 8 劢x ( 0 4 3 5 x 1 0 - 3 铲 。一1 。- - 。- 。- - - 1 。_ - 。- _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 8 x 5 0 x 1 ：0 - 3 = 4 0 1 m j c m 3 2 7 4 2 磁浠损耗： 横向磁滞损耗： 。 西- 2 寺砌( 1 + f 2 弘出 = x 1 9 5 7 x 1 0 9 o 8 7 x 1 0 - 3 ( 1 + 0 2 8 2 ) o 1 2 3 兀 = 4 6 7 8 m j c m 3 纵向磁滞损耗： e h 2 = 1c d 哦弘t c l t = 1 9 5 7 1 0 9 x0 8 7 x 1 0 。3x 0 4 5 ：1 2 7 7 m j c m 3 3 1 东华大学硕士论文第二章纵场线圈的传热计算与分析 纵场线圈总的长度大约为1 2 0 0 m ，每股线圈的直径为2 0 4 m m ，则总的交流损耗产 生的热量为4 3 7 5 w 。 2 8 各种扰动引起的损耗q 。 除此以外还有其它各种没有规律的扰动，它不仅和装置的运行环境有关，还 和磁体的绕制方法，制作工艺等等有关。比如还有一部分冷量消耗在输液管道和 控制设备上，这些部件的热负荷只能估算，根据相关的试验结果，这些部件的热 损耗数值如下啕： 每个低温阀门：2 3 5 w 每米低温管道损耗：0 2 一o 3 w 低温部件连接处：2 3 3 2 w 安全防预管道结构：3 4 w 根据装置结构低温阀门大约为2 - - 3 个，低温管道大约为5 0 米，低温部件连 接件2 3 个，安全防预管道一个，则增加了热负荷大约为3 0 w 。 总结以上所有，可以得到纵场线圈的总的热负荷，如表2 - 9 所示。 3 2 东华大学硕士论文第二章纵场线圈的传热计算与分析 表2 9 纵场磁体系统( t f ) 的热负荷汇总 2 9 氦流量的计算 2 9 1 稳定状态下纵场线圈所需的液氦流量 从上面的计算我们可以看到，在稳定状态下，纵场线圈的热负荷大约为 3 9 2 8 4 8 w ，为了使线圈始终维持在这样的低温，以防止线圈失超，必须要保证 一定的氦流量。通常情况下，液氦的进口温度为4 k ，进口压力为4 b a r ，查的焓 值为0 1 2 8 9 e + 5