国际热核聚变反应堆馈线系统线圈终端盒冷屏热性能分析及实验研究

　　线圈终端盒是保证国际热核聚变实验堆装置可靠运行的关键部件之一,为磁体系统与低温车间、电源大厅、数据采集系统和低温控制元件提供4.5K的超低温工作环境。线圈终端盒内设有80K冷屏,以吸收室温环境对其内部工作空间带来的辐射热负荷。本文首先根据传热学原理对线圈终端盒冷屏热性能进行理论分析,确定了冷屏的结构型式,然后再对线圈终端盒冷屏结构建模,利用有限元流固体耦合分析软件FLUENT进行了数值模拟仿真分析,最后以设计分析结果为依据制作1∶1 线圈终端盒整体实验系统进行实验验证,并对实验数据和数值模拟结果进行了分析比较,结果非常吻合,为下一轮冷屏结构的设计及大规模生产提供了可靠的依据。

　　国际热核聚变实验堆( International Thermonuclear Experimental Reactor2ITER) 计划目标是要建造一个可自持燃烧的全超导托克马克核聚变实验堆,以便对未来聚变示范堆和商用聚变堆的物理问题和工程问题作深入的探索。参加ITER 计划,是中国为国家未来能源可持续发展而作出的重大决策,充分彰显了中国对全球重大发展问题负责任的态度和积极参与国际科技合作、充分利用国际科技资源促进自主创新的雄心和决心。而全面推动ITER 采购包预研任务的执行,为采购包制造任务按期、保质、保量的完成奠定坚实基础,是我国目前主要工作之一。

　　线圈终端盒CTB (Coil Terminal Box) 是ITER 装置中超导馈线系统( Feeder) 的重要组成部分,位于杜瓦和生物屏蔽层的外侧附近,连接在过渡馈线S弯盒的外侧,为馈线系统中的管、缆、线分别与低温车间、电源大厅以及数据收集系统的相联接提供接口和屏蔽保护。CTB 盒的结构如图1 所示,盒体外形尺寸为: 3380mm ×1260mm ×1260mm (长×宽×高) , 盒体外部为300K 的室温外杜瓦, 材料采用40mm 厚的304L 不锈钢,内部设置3mm 厚的3003 铝合金冷屏,冷屏上的工作温度为80K,冷屏内外均为真空,其内部的工作区域为415K的低温环境,杜瓦内外压差0.1MPa。在杜瓦和冷屏中间, 设置30mm 的真空多层绝热夹层。

图1 　CTB盒结构剖视图

　　CTB 冷屏及其内部电流引线不失冷、失超是保证ITER 装置可靠运行的关键。按照国际组ITER 设计技术要求,CTB 盒及其内部所有部件都必须分别制作实验件并制作组装完整原型件,反复进行多次试验预研,确保各项技术指标达到性能要求 ,方可进行下一步的工作。本文系统地从理论上对CTB实验件冷屏进行设计分析讨论,并利用FLUENT 软件进行数值模拟分析,然后通过实验对比验证理论分析结果的正确性。

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3.2、讨论

　　由于CTB 冷屏内部电流引线及其它部件已经提前降温至100K以下,且要继续降温至4.5K,CTB冷屏的温度下降很快。但由于通氮气后不到1h 时,通气管道密封破损漏气,经维修后恢复正常,因此这个时段温度曲线有波折,但随后的整个实验过程一切正常。尽管数值分析结果显示7 号位置点的温度最高,而理论分析也应该是7 号点温度最高。但由于电流引线的温度从前至后是从4.5K逐渐过渡到65K的,对其周围冷屏势必造成一定的影响,因此使得处在电流引线高温段外围的1 号位置点温度提高,超过了最高点7 号位置点。而其它各位置点的温度与数值分析结果基本接近。

　　由以上实验测试结果可见,采用本文叙述的理论分析和数值模拟方法进行CTB 冷屏的设计分析,结果是可信的。尽管有一些影响因素无法预计(如:其内部部件温度对它的影响) ,但这种分析模拟结果可以作为实际设计的重要依据。

4、结论

　　本文首先通过对CTB 冷屏热性能的理论分析确定了冷屏的结构型式,然后再对冷屏结构建模,利用有限元流体固体耦合分析软件FLUENT 进行数值模拟仿真分析,最后将分析结果作为依据进行实验验证,并对实验数据和数值模拟结果进行了分析比较。

　　实验和理论模拟结果表明,采用3003 铝合金作为冷屏材料,且选用外方内圆结构型式冷却管是可行的,为设计低温系统冷屏选择材料和结构型式提供了新的方法。同时实验结果与理论分析结果非常吻合,说明上述的理论计算方法是正确可信的,为下一轮冷屏结构的设计及实验提供了可靠的依据。