馬強(qiáng)

摘要：校正場線圈的超導(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，本文對氦管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并在77K低溫條件下對氦管進(jìn)行低溫疲勞試驗。

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

國際熱核聚變實(shí)驗堆ITER[1-5]是目前全球規(guī)模最大，影響最深遠(yuǎn)的國際合作項目之一。ITER裝置是一個能產(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)驗通向聚變電站的關(guān)鍵性問題。

1? 校正場的介紹

ITER 校正場超導(dǎo)磁體系統(tǒng)（以下簡稱CC）[6]主要用來補(bǔ)償由于制造公差、接頭、引線、母線及裝配公差造成的縱場和極向場線圈和繞組位形偏離所帶來的磁場誤差。因為任何加工和組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裝置實(shí)際與設(shè)計計算的偏差，這些公差和偏差就會引起裝置磁場的誤差。這些誤差需要認(rèn)真對待，盡可能消除或者減少影響。

校正場超導(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，共18個線圈。每一個上、下線圈呈60度扇形，橫跨3個縱場線圈;每一個側(cè)線圈布置在徑向占位40度，橫跨2個縱場線圈。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。校正場磁體系統(tǒng)的布局圖如1所示。

2? 氦進(jìn)出管的設(shè)計

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。

對于B/TCC，液氦從四個氦管入口進(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)的五個出口流出。以此類推，對于SCC，流通方式由兩個入口、四條路徑、三個出口構(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，長度75mm的圓管構(gòu)成。

3? 低溫疲勞試驗

①試驗設(shè)備：Instron 8802軸向復(fù)合拉扭疲勞試驗機(jī)（Capacity： load±120kN;Torque： ±1000N·m）;低溫引伸計/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;溫度測試系統(tǒng)（KEITHLEY 2000 MULTIMETER）。

②試驗環(huán)境：液氮。

③試樣如圖7所示。

④試驗參數(shù)：

4? 試驗結(jié)果

77k下十個連續(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。

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