線圈終端盒是保證國際熱核聚變實驗堆裝置可靠運行的關(guān)鍵部件之一,為磁體系統(tǒng)與低溫車間、電源大廳、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和低溫控制元件提供4.5K的超低溫工作環(huán)境。線圈終端盒內(nèi)設(shè)有80K冷屏,以吸收室溫環(huán)境對其內(nèi)部工作空間帶來的輻射熱負荷。本文首先根據(jù)傳熱學(xué)原理對線圈終端盒冷屏熱性能進行理論分析,確定了冷屏的結(jié)構(gòu)型式,然后再對線圈終端盒冷屏結(jié)構(gòu)建模,利用有限元流固體耦合分析軟件FLUENT進行了數(shù)值模擬仿真分析,最后以設(shè)計分析結(jié)果為依據(jù)制作1∶1 線圈終端盒整體實驗系統(tǒng)進行實驗驗證,并對實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進行了分析比較,結(jié)果非常吻合,為下一輪冷屏結(jié)構(gòu)的設(shè)計及大規(guī)模生產(chǎn)提供了可靠的依據(jù)。

　　國際熱核聚變實驗堆( International Thermonuclear Experimental Reactor2ITER) 計劃目標是要建造一個可自持燃燒的全超導(dǎo)托克馬克核聚變實驗堆,以便對未來聚變示范堆和商用聚變堆的物理問題和工程問題作深入的探索。參加ITER 計劃,是中國為國家未來能源可持續(xù)發(fā)展而作出的重大決策,充分彰顯了中國對全球重大發(fā)展問題負責(zé)任的態(tài)度和積極參與國際科技合作、充分利用國際科技資源促進自主創(chuàng)新的雄心和決心。而全面推動ITER 采購包預(yù)研任務(wù)的執(zhí)行,為采購包制造任務(wù)按期、保質(zhì)、保量的完成奠定堅實基礎(chǔ),是我國目前主要工作之一。

　　線圈終端盒CTB (Coil Terminal Box) 是ITER 裝置中超導(dǎo)饋線系統(tǒng)( Feeder) 的重要組成部分,位于杜瓦和生物屏蔽層的外側(cè)附近,連接在過渡饋線S彎盒的外側(cè),為饋線系統(tǒng)中的管、纜、線分別與低溫車間、電源大廳以及數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的相聯(lián)接提供接口和屏蔽保護。CTB 盒的結(jié)構(gòu)如圖1 所示,盒體外形尺寸為: 3380mm ×1260mm ×1260mm (長×寬×高) , 盒體外部為300K 的室溫外杜瓦, 材料采用40mm 厚的304L 不銹鋼,內(nèi)部設(shè)置3mm 厚的3003 鋁合金冷屏,冷屏上的工作溫度為80K,冷屏內(nèi)外均為真空,其內(nèi)部的工作區(qū)域為415K的低溫環(huán)境,杜瓦內(nèi)外壓差0.1MPa。在杜瓦和冷屏中間, 設(shè)置30mm 的真空多層絕熱夾層。

圖1 　CTB盒結(jié)構(gòu)剖視圖

　　CTB 冷屏及其內(nèi)部電流引線不失冷、失超是保證ITER 裝置可靠運行的關(guān)鍵。按照國際組ITER 設(shè)計技術(shù)要求,CTB 盒及其內(nèi)部所有部件都必須分別制作實驗件并制作組裝完整原型件,反復(fù)進行多次試驗預(yù)研,確保各項技術(shù)指標達到性能要求 ,方可進行下一步的工作。本文系統(tǒng)地從理論上對CTB實驗件冷屏進行設(shè)計分析討論,并利用FLUENT 軟件進行數(shù)值模擬分析,然后通過實驗對比驗證理論分析結(jié)果的正確性。

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3.2、討論

　　由于CTB 冷屏內(nèi)部電流引線及其它部件已經(jīng)提前降溫至100K以下,且要繼續(xù)降溫至4.5K,CTB冷屏的溫度下降很快。但由于通氮氣后不到1h 時,通氣管道密封破損漏氣,經(jīng)維修后恢復(fù)正常,因此這個時段溫度曲線有波折,但隨后的整個實驗過程一切正常。盡管數(shù)值分析結(jié)果顯示7 號位置點的溫度最高,而理論分析也應(yīng)該是7 號點溫度最高。但由于電流引線的溫度從前至后是從4.5K逐漸過渡到65K的,對其周圍冷屏勢必造成一定的影響,因此使得處在電流引線高溫段外圍的1 號位置點溫度提高,超過了最高點7 號位置點。而其它各位置點的溫度與數(shù)值分析結(jié)果基本接近。

　　由以上實驗測試結(jié)果可見,采用本文敘述的理論分析和數(shù)值模擬方法進行CTB 冷屏的設(shè)計分析,結(jié)果是可信的。盡管有一些影響因素?zé)o法預(yù)計(如:其內(nèi)部部件溫度對它的影響) ,但這種分析模擬結(jié)果可以作為實際設(shè)計的重要依據(jù)。

4、結(jié)論

　　本文首先通過對CTB 冷屏熱性能的理論分析確定了冷屏的結(jié)構(gòu)型式,然后再對冷屏結(jié)構(gòu)建模,利用有限元流體固體耦合分析軟件FLUENT 進行數(shù)值模擬仿真分析,最后將分析結(jié)果作為依據(jù)進行實驗驗證,并對實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進行了分析比較。

　　實驗和理論模擬結(jié)果表明,采用3003 鋁合金作為冷屏材料,且選用外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)型式冷卻管是可行的,為設(shè)計低溫系統(tǒng)冷屏選擇材料和結(jié)構(gòu)型式提供了新的方法。同時實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果非常吻合,說明上述的理論計算方法是正確可信的,為下一輪冷屏結(jié)構(gòu)的設(shè)計及實驗提供了可靠的依據(jù)。