國(guó)際熱核聚變反應(yīng)堆饋線系統(tǒng)線圈終端盒冷屏熱性能分析及實(shí)驗(yàn)研究
線圈終端盒是保證國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆裝置可靠運(yùn)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(duì)其內(nèi)部工作空間帶來(lái)的輻射熱負(fù)荷。本文首先根據(jù)傳熱學(xué)原理對(duì)線圈終端盒冷屏熱性能進(jìn)行理論分析,確定了冷屏的結(jié)構(gòu)型式,然后再對(duì)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(jìn)行了數(shù)值模擬仿真分析,最后以設(shè)計(jì)分析結(jié)果為依據(jù)制作1∶1 線圈終端盒整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)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(jì)及大規(guī)模生產(chǎn)提供了可靠的依據(jù)。
國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆( International Thermonuclear Experimental Reactor2ITER) 計(jì)劃目標(biāo)是要建造一個(gè)可自持燃燒的全超導(dǎo)托克馬克核聚變實(shí)驗(yàn)堆,以便對(duì)未來(lái)聚變示范堆和商用聚變堆的物理問(wèn)題和工程問(wèn)題作深入的探索。參加ITER 計(jì)劃,是中國(guó)為國(guó)家未來(lái)能源可持續(xù)發(fā)展而作出的重大決策,充分彰顯了中國(guó)對(duì)全球重大發(fā)展問(wèn)題負(fù)責(zé)任的態(tài)度和積極參與國(guó)際科技合作、充分利用國(guó)際科技資源促進(jìn)自主創(chuàng)新的雄心和決心。而全面推動(dòng)ITER 采購(gòu)包預(yù)研任務(wù)的執(zhí)行,為采購(gòu)包制造任務(wù)按期、保質(zhì)、保量的完成奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),是我國(guó)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(guò)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(hù)。CTB 盒的結(jié)構(gòu)如圖1 所示,盒體外形尺寸為: 3380mm ×1260mm ×1260mm (長(zhǎng)×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?yàn)?15K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(yùn)行的關(guān)鍵。按照國(guó)際組ITER 設(shè)計(jì)技術(shù)要求,CTB 盒及其內(nèi)部所有部件都必須分別制作實(shí)驗(yàn)件并制作組裝完整原型件,反復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)預(yù)研,確保各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到性能要求 ,方可進(jìn)行下一步的工作。本文系統(tǒng)地從理論上對(duì)CTB實(shí)驗(yàn)件冷屏進(jìn)行設(shè)計(jì)分析討論,并利用FLUENT 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性。
由于篇幅有限，全文下載請(qǐng)點(diǎn)擊：國(guó)際熱核聚變反應(yīng)堆饋線系統(tǒng)線圈終端盒冷屏熱性能分析及實(shí)驗(yàn)研究
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?dú)夂蟛坏?h 時(shí),通氣管道密封破損漏氣,經(jīng)維修后恢復(fù)正常,因此這個(gè)時(shí)段溫度曲線有波折,但隨后的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程一切正常。盡管數(shù)值分析結(jié)果顯示7 號(hào)位置點(diǎn)的溫度最高,而理論分析也應(yīng)該是7 號(hào)點(diǎn)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(guò)渡到65K的,對(duì)其周圍冷屏勢(shì)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(hào)位置點(diǎn)溫度提高,超過(guò)了最高點(diǎn)7 號(hào)位置點(diǎn)。而其它各位置點(diǎn)的溫度與數(shù)值分析結(jié)果基本接近。
由以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可見(jiàn),采用本文敘述的理論分析和數(shù)值模擬方法進(jìn)行CTB 冷屏的設(shè)計(jì)分析,結(jié)果是可信的。盡管有一些影響因素?zé)o法預(yù)計(jì)(如:其內(nèi)部部件溫度對(duì)它的影響) ,但這種分析模擬結(jié)果可以作為實(shí)際設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。
4、結(jié)論
本文首先通過(guò)對(duì)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(duì)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(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析,最后將分析結(jié)果作為依據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了分析比較。
實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果非常吻合,說(shuō)明上述的理論計(jì)算方法是正確可信的,為下一輪冷屏結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)提供了可靠的依據(jù)。
