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鍵部件之一,為磁體系統與低溫車間、電源大廳、數據采集系統和低溫控制元件提供4.5K的超低溫工作環境。線圈終端盒內設有80K冷屏,以吸收室溫環境對其內部工作空間帶來的輻射熱負荷。本文首先根據傳熱學原理對線圈終端盒冷屏熱性能進行理論分析,確定了冷屏的結構型式,然后再對線圈終端盒冷屏結構建模,利用有限元流固體耦合分析軟件FLUENT進行了數值模擬仿真分析,最后以設計分析結果為依據制作1∶1 線圈終端盒整體實驗系統進行實驗驗證,并對實驗數據和數值模擬結果進行了分析比較,結果非常吻合,為下一輪冷屏結構的設計及大規模生產提供了可靠的依據。

　　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發展而作出的重大決策,充分彰顯了中國對全球重大發展問題負責任的態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新的雄心和決心。而全面推動ITER 采購包預研任務的執行,為采購包制造任務按期、保質、保量的完成奠定堅實基礎,是我國目前主要工作之一。

　　線圈終端盒CTB (Coil Terminal Box) 是ITER 裝置中超導饋線系統( Feeder) 的重要組成部分,位于杜瓦和生物屏蔽層的外側附近,連接在過渡饋線S彎盒的外側,為饋線系統中的管、纜、線分別與低溫車間、電源大廳以及數據收集系統的相聯接提供接口和屏蔽保護。CTB 盒的結構如圖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,內部設置3mm 厚的3003 鋁合金冷屏,冷屏上的工作溫度為80K,冷屏內外均為真空,其內部的工作區域為415K的低溫環境,杜瓦內外壓差0.1MPa。在杜瓦和冷屏中間, 設置30mm 的真空多層絕熱夾層。

圖1 　CTB盒結構剖視圖

　　CTB 冷屏及其內部電流引線不失冷、失超是保證ITER 裝置可靠運行的關鍵。按照國際組ITER 設計技術要求,CTB 盒及其內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,反復進行多次試驗預研,確保各項技術指標達到性能要求 ,方可進行下一步的工作。本文系統地從理論上對CTB實驗件冷屏進行設計分析討論,并利用FLUENT 軟件進行數值模擬分析,然后通過實驗對比驗證理論分析結果的正確性。

　　由于篇幅有限，全文下載請點擊：國際熱核聚變反應堆饋線系統線圈終端盒冷屏熱性能分析及實驗研究

3.2、討論

　　由于CTB 冷屏內部電流引線及其它部件已經提前降溫至100K以下,且要繼續降溫至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,經維修后恢復正常,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。盡管數值分析結果顯示7 號位置點的溫度最高,而理論分析也應該是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值分析結果基本接近。

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

4、結論

　　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構型式,然后再對冷屏結構建模,利用有限元流體固體耦合分析軟件FLUENT 進行數值模擬仿真分析,最后將分析結果作為依據進行實驗驗證,并對實驗數據和數值模擬結果進行了分析比較。

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