CFETR CS模型线圈NbTi线圈稳定性研究

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可控核聚变是解决未来能源短缺问题的理想途径。因此,我国在可控核聚变领域也进行了规划和布局。作为磁约束聚变发展的下一阶段,中国聚变工程实验堆(CFETR)的建造对于我国在聚变领域的自主科研和建设能力意义重大。作为CFETR关键技术研究的一部分,我们开展了中心螺线管模型线圈(CSMC)的研制。CFETR CSMC采用Nb3Sn和NbTi两种CICC型导体进行绕制,以CFETR中心螺线管线圈的设计参数为基础,满足最高场强和电流变化率的要求。  CICC是一种电缆型内冷超导体,具有结构稳定,载流能力强,易绝缘等特点,是用于聚变装置磁体系统的理想导体。导体作为线圈绕制的基础,其稳定性是影响线圈在实际运行中稳定性的一个重要因素。本文以NbTi导体线圈为对象,分析其结构设计及其运行工况,研究其稳定性。  本文首先根据CFETR中心螺线管线圈的设计构造和参数要求,分析了导体稳定性的具体要求,包括最大设计场强在线圈导体上的分布,为分析导体复杂电磁环境下稳定性采用的CFETRCS模型线圈设计要求的参考电流波形,导体、超导股线的设计参数和临界特性参数化描述等。概括了NbTi线圈稳定性分析的主要依据。  然后,依据NbTi导体的结构特征,分析了CICC稳定性相关的因素。使用磁通钉扎原理分析了股线超导丝径与绝热假设下的股线稳定性的关系;CICC管内水力参数通过氮气压降实验和构建的一维计算模型分析了管内的沿程水力阻力特征;在CICC电缆的扭绞与稳定性中分析了参考电流波形的工况下的交流损耗。  进一步,借助SULTAN测试系统,对CICC全尺寸短样进行稳定性测试,同时构建两种相应的一维数值计算模型,热-流体耦合计算模型GANDALF,和二次开发的ANSYS有限元分析模型,用于验证和分析模型的有效性。  最后,分析工况下的NbTi线圈的稳定性。第一,对线圈的匝间换热进行了一维理论分析及二维的有限元瞬态分析,给出了NbTi线圈简化为导体一维模型分析的理论依据。第二,依据冷却回路的设计,分析了NbTi线圈冷却回路的长度,及稳定性相关的水力边界条件。第三,依据低温稳定性判据,计算分析了NbTi线圈工况下,相应的低温稳定性参数及稳定性裕度。第四,依据SULTAN测试选择GANDALF热-流体耦合模型用于计算NbTi线圈稳定性的分析,给出了不同扰动下,导体的最大稳定性裕度;以及减去固定交流损耗,NbTi线圈的稳定性裕度。
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