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        ITER 校正場(chǎng)線圈氦進(jìn)出管的設(shè)計(jì)及低溫疲勞試驗(yàn)

        2020-09-10 20:23:46馬強(qiáng)
        內(nèi)燃機(jī)與配件 2020年18期
        關(guān)鍵詞:疲勞液氮低溫

        馬強(qiáng)

        摘要:校正場(chǎng)線圈的超導(dǎo)導(dǎo)體需要在低溫下才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo),為了提供足夠低的溫度,導(dǎo)體內(nèi)要通有迫流氦。氦管是液氦進(jìn)出導(dǎo)體的必要通道,本文對(duì)氦管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并在77K低溫條件下對(duì)氦管進(jìn)行低溫疲勞試驗(yàn)。

        Abstract: The superconducting conductor of the corrected field coil needs to be superconducting at low temperature. In order to provide a sufficiently low temperature, there is forced flow helium in the conductor. Helium tube is a necessary channel for liquid helium to enter and exit the conductor. In this paper, the structure of helium tube is designed, and K low temperature fatigue test of helium tube is carried out under 77 low temperature conditions.

        關(guān)鍵詞:氦管;液氮;低溫;疲勞

        Key words: helium tube;liquid nitrogen;cryogenic;fatigue

        0? 引言

        國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER[1-5]是目前全球規(guī)模最大,影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際合作項(xiàng)目之一。ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克裝置,用于進(jìn)行熱核聚變的可行性研究,將解決由理論實(shí)驗(yàn)通向聚變電站的關(guān)鍵性問題。

        1? 校正場(chǎng)的介紹

        ITER 校正場(chǎng)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱CC)[6]主要用來(lái)補(bǔ)償由于制造公差、接頭、引線、母線及裝配公差造成的縱場(chǎng)和極向場(chǎng)線圈和繞組位形偏離所帶來(lái)的磁場(chǎng)誤差。因?yàn)槿魏渭庸ず徒M裝都要求給出合理的公差,諸如超導(dǎo)導(dǎo)體接頭和電流引線等都必然帶來(lái)裝置實(shí)際與設(shè)計(jì)計(jì)算的偏差,這些公差和偏差就會(huì)引起裝置磁場(chǎng)的誤差。這些誤差需要認(rèn)真對(duì)待,盡可能消除或者減少影響。

        校正場(chǎng)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)由上(Top)、側(cè)(Side)、下(Bottom)三組線圈構(gòu)成,每組6個(gè),共18個(gè)線圈。每一個(gè)上、下線圈呈60度扇形,橫跨3個(gè)縱場(chǎng)線圈;每一個(gè)側(cè)線圈布置在徑向占位40度,橫跨2個(gè)縱場(chǎng)線圈。所有超導(dǎo)磁體均采用NbTi材料的CICC超導(dǎo)導(dǎo)體,導(dǎo)體尺寸為19.2mm。校正場(chǎng)磁體系統(tǒng)的布局圖如1所示。

        2? 氦進(jìn)出管的設(shè)計(jì)

        CC線圈的超導(dǎo)導(dǎo)體需要低溫才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo),為了達(dá)到低溫條件,導(dǎo)體內(nèi)要通有迫流氦。CC線圈采用的是單線餅繞的結(jié)構(gòu),如果只在導(dǎo)體的兩端一進(jìn)一出輸送液氦,流阻將會(huì)很大,導(dǎo)致壓力大;并且液氦冷卻的進(jìn)出溫差大。因此液氦的流通采用多進(jìn)多出的多通道方式。這就需要在超導(dǎo)體上的相應(yīng)位置剝開導(dǎo)體鎧甲焊接上氦進(jìn)出管來(lái)形成多通道。B/TCC的液氦流通方式是4進(jìn)5出,如圖1所示。SCC的液氦流通方式是2進(jìn)3出,如圖2所示。

        對(duì)于B/TCC,液氦從四個(gè)氦管入口進(jìn)入后在線圈導(dǎo)體內(nèi)形成了八條不同的流通路徑,最終從包括兩端在內(nèi)的五個(gè)出口流出。以此類推,對(duì)于SCC,流通方式由兩個(gè)入口、四條路徑、三個(gè)出口構(gòu)成。

        氦進(jìn)出管的作用是連接CC導(dǎo)體需要流通液氦的進(jìn)出和低溫系統(tǒng)回路。氦進(jìn)出管的設(shè)計(jì)采用變截面的形式,以盡可能降低流阻以便獲得更好的冷卻效果,如圖3所示。

        氦管跑道段、變截面段、圓管段依次如圖4、圖5、圖6所示。跑道段截面如圓槽狀,兩端圓外徑為11mm,內(nèi)徑為6mm,高度為13.2mm;變截面段是連接跑道和圓管的扁圓形結(jié)構(gòu),端部圓內(nèi)徑為13.8mm、外徑為17.1mm,高度為31.8mm;圓管段是由外徑為17.1mm,厚度1.65mm,長(zhǎng)度75mm的圓管構(gòu)成。

        3? 低溫疲勞試驗(yàn)

        ①試驗(yàn)設(shè)備:Instron 8802軸向復(fù)合拉扭疲勞試驗(yàn)機(jī)(Capacity: load±120kN;Torque: ±1000N·m);低溫引伸計(jì)/Nyilas-type Extensometer(CEME);CryoLab低溫系統(tǒng)(4.2~300K)銠鐵溫度傳感器(Temperature sensor),精度±0.1K;溫度測(cè)試系統(tǒng)(KEITHLEY 2000 MULTIMETER)。

        ②試驗(yàn)環(huán)境:液氮。

        ③試樣如圖7所示。

        ④試驗(yàn)參數(shù):

        4? 試驗(yàn)結(jié)果

        77k下十個(gè)連續(xù)循環(huán)的平均峰值負(fù)荷如圖8所示。

        5? 結(jié)論

        在60000次循環(huán)之前,沒有觀察到試樣的擊穿失效。沒有發(fā)生斷裂,并且經(jīng)過氦質(zhì)譜檢漏測(cè)試后漏率低于1×10-9Pa·L/S,因此可以得出結(jié)論氦管樣品能夠承受60000次的循環(huán)疲勞。

        參考文獻(xiàn):

        [1]Federica Bonomo,Isabella Mario,Dirk Wünderlich, Ursel Fantz. On the vertical uniformity of an ITER-like large beam[J].Fusion Engineering and Design, 2020,? 159.

        [2]J.Vega, R.Castro, S.Dormido-Canto, G.A.Rattá, M. Ruiz. Automatic recognition of plasma relevant events: Implications for ITER[J]. Fusion Engineering and Design, 2020, 156.

        [3]Erwu Niu, Jing Wei, Delong Luo, Kaihui He, Wen Zhao,Yalan Zhu. Qualification of key process for ITER correction coils[J]. Fusion Engineering and Design,? 2020, 156.

        [4]Yohanes Nietiadi, Catarina Vidal, Raul Luís, Paulo Varela. Thermal analyses of the in-vessel frontends of the ITER plasma position reflectometry system[J]. Fusion Engineering and Design,2020,156.

        [5]M. Siccinio, W.Biel, M. Cavedon, E. Fable, G. Federici, F. Janky, H.Lux, F. Maviglia, J. Morris, F. Palermo,O. Sauter, F. Subba, H.Zohm.DEMO physics challenges beyond ITER[J]. Fusion Engineering and Design, 2020.

        [6]沈筱剛,劉沛航,王坤,涂正平,廖國(guó)俊,秦經(jīng)剛.ITER校正場(chǎng)導(dǎo)體不銹鋼鎧甲力學(xué)性能研究[J].低溫與超導(dǎo),2016.

        [7]方有為,胡獻(xiàn)國(guó),杜雙松,奚維斌,衛(wèi)靖,陸坤.EAST PF8線圈氦管結(jié)構(gòu)分析和疲勞試驗(yàn)[J/OL].核聚變與等離子體物理:1-7[2020-06-22].

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