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氦制冷系统作为EAST超导托卡马克装置的主要耗能子系统之一，其效率的提高可以降低整个大科学工程装置的运行费用。同时对自主设计的氦制冷系统的性能进行研究和分析，可以促进系统的改进和完善，并有助于新的氦制冷系统的设计。研究脉冲热负荷的冲击有助于我们提出合理的缓冲方法，提高制冷系统应对脉冲波动的能力。本论文从上述几个角度，通过理论分析、编制静态模拟程序、建立动态仿真模型和实验研究的方式对EAST氦制冷系统进行了研究和分析，并在此基础上完成了用于新的超大型超导磁体测试的5kW氦制冷机流程的初步设计。
首先，对超导托卡马克装置氦制冷系统的理论基础和设计方法进行了全面的分析。阐述了超导磁体的冷却方式及各冷却级的选用，介绍了氦制冷系统流程的设计和优化方法，分析了氦制冷系统的核心部件的性能特点及选型方法。
其次，本论文基于实际部件的性能参数编制了EAST氦制冷机静态模拟程序，并结合试验测试对主要部件及整个流程进行了优化分析。对EAST氦制冷机的几种主要偏离设计工况运行模式进行了模拟，提出了未来升级运行模式及新透平T3的选型参数。
基于Aspen HYSYS动态模拟软件，对EAST氦制冷机进行了动态建模和模拟。完成了300～80K降温过程的动态模拟和实验验证，并优化分析了透平开启及旁通阀门开度对降温过程的影响。对回温过程及300～4.SK的降温过程进行了模拟及分析。完成了准稳态模拟和与设计值的对比验证。探讨了氦制冷机变容量调节方法，基于动态模拟分析了透平T3对EAST氦制冷机容量的影响，并提出了针对EAST氦制冷机的变容量调节方法。模拟分析了长脉冲放电对EAST氦制冷机的热冲击，并与实验结果进行了对比研究。
通过实验数据，研究了等离子体放电参数对EAST氦制冷机及超导磁体冷却的脉冲热冲击和影响，提出了EAST氦制冷系统3种脉冲热负荷的吸收和缓冲方法。
最后，借鉴EAST氦制冷机的设计建造经验和国外同量级的氦制冷流程调研的基础上，完成了超大型托卡马克装置磁体测试用5kW/4.5K氦制冷机流程的初步设计，提出了主要部件的选型参数。