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在中国科学院等离子体物理研究所建造的EAST托卡马克是一全超导的先进稳态可控核聚变实验装置,其纵场和极向场超导磁体均采用NbTi低温超导材料的CICC(Cable in Conduit Conductor)绕制而成,最低工作温度为3.8 K。纵场线圈盒的工作温度为4.7K。其冷屏的平均工作温度足80K。
EAST装置的主要冷质部件有:纵场线圈及线圈盒、极向场磁体和冷屏系统,其热负荷包括静态热负荷和动态热负荷。EAST低温系统冷却的最终目的是保证超导磁体在工作电流及各种扰动下稳定运行。本文在分析各冷质部件热负荷和冷却流程设计的基础上,从主管路配管设计、管道阻力分析、管道空间布置和实验数据分析四方面对EAST装置冷却过程进行设计和分析。
本文运用PDSOFT软件,完成数据库建设及图形库设计的基础上,完成EAST装置内部管线的配置,完成21根主管路配管设计。为预订管道提供可靠数据,也实现了所有主管路在上装置前的预先配置工作,为管道阻力分析提供了研究对象。本文采用最不利管路阻力分析的办法。采用经典公式,选择21根主管路中的4根管路进行管道阻力计算,计算结果表明,因主管路走向设计所带来的压头损失只有百Pa量级,不影响氦流分布,这结论在实验数据分析中得到验证。
在以上工作的基础上,完成EAST装置内部所有管路的空间布置工作及绝缘子的布置工作。据统计EAST装置内部的管道总长约2500m,共涉及343个绝缘子。
本文分别对各冷质部件在降温和运行过程中的实验数据进行分析。对于纵场系统,主要分析稳态过程中的线圈进出口压降,经分析其主要由导体本身的阻力引起。对于冷屏系统,主要分析降温过程中氦流质量流量变化。对于极向场系统,针对在等离子体体放电过程中的一些低温参数的变化,尝试从管道阻力入手加以分析,并为低温系统运行提供理论参考。实验数据证明,EAST装置冷却过程设计能保证装置降温、稳定运行和回温的有效进行。
装置运行的首要前提,是低温系统正常工作。本论文在讨论装置运行对低温系统影响的基础上,从热力完善度方面,对低温系统的工况现状作出分析、评估,并结合未来装置运行的要求,究成低温系统更新透平的参数设计及校核工作。