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强磁场作为重要的研究工具,正越来越广泛地用于生物、地理、工程、冶金、物理等学科,更高的磁场有利于引出新发现、解释物理现象、完善学科内容。在国家发改委的支持下,由中国科学院强磁场中心承担的40-T稳态强磁场装置项目正在建设之中,将为众多学科领域的科学研究提供强磁场极端实验环境。本论文对40-T混合磁体外超导磁体进行冷却设计和分析,满足磁体线圈在励磁和运行过程的稳定性;力求在现有氦制冷机的制冷能力下,设计出优化的冷却回路方案,并保证磁体降温过程的顺利进行和故障态下磁体冷却回路的安全。
本论文根据40-T混合磁体外超导磁体系统结构,分别分析外超导磁体系统在不同运行模式下4.5 K温区热负荷和超导线圈热负荷,检验制冷机是否能够满足磁体系统运行的需要,以及为冷却回路设计提供依据。
本论文主要对40-T混合磁体外超导磁体的冷却回路进行设计和分析:首先独立研制搭建了CICC迫流冷却通道摩擦系数测试平台,利用它得到了外超导磁体所用导体内超临界氦流量随压差的变化规律以及摩擦系数随雷诺数的变化特性,并拟合出相应的经验式,应用于混合磁体超导线圈的热工水力参数分析;其次,探索各种CICC导体在不同工作条件的最佳供冷参数确定方法,研究迫流冷却通道长度的限制条件,同时遵循工程要求和方法,为混合磁体外超导磁体设计冷却流程,并确定最佳的供冷参数,实现了超临界氦冷量的充分利用和磁体在各种运行模式下温度不超过6.0 K;然后对磁体各冷却通道的低温稳定性进行分析校核,以确保各线圈都具有较大的稳定裕度:最后根据实际情况修改Gandalf软件,用来分析磁体在各种可能的故障态下的热工水力参数,并针对各种故障态提出了相应的低温系统和管路的保护措施,对排气阀、安全阀和爆破片进行了选型,保证回路的最大压力不高于18 bar。
本论文还对40-T混合磁体外超导磁体的降温过程进行分析,综合利用有限元和有限差分法对各冷却通道降温过程进行了数值模拟,引入了内部摩擦损耗和外界漏热因素,提高了数值计算精度。通过计算结果不断优化边界条件,从而得到了冷却通道进口所需要的冷氦气的温度和压力条件。在此条件下,外超导磁体各线圈可实现同步快速降温,并且可保证在预冷阶段线圈最大温差不高于40 K。