國際熱核聚變反應堆饋線(xiàn)系統線(xiàn)圈終端盒冷屏熱性能分析及實(shí)驗研究
線(xiàn)圈終端盒是保證國際熱核聚變實(shí)驗堆裝置可靠運行的關(guān)鍵部件之一,為磁體系統與低溫車(chē)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(huán)境。線(xiàn)圈終端盒內設有80K冷屏,以吸收室溫環(huán)境對其內部工作空間帶來(lái)的輻射熱負荷。本文首先根據傳熱學(xué)原理對線(xiàn)圈終端盒冷屏熱性能進(jìn)行理論分析,確定了冷屏的結構型式,然后再對線(xiàn)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(jìn)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(xiàn)圈終端盒整體實(shí)驗系統進(jìn)行實(shí)驗驗證,并對實(shí)驗數據和數值模擬結果進(jìn)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(chǎn)提供了可靠的依據。
國際熱核聚變實(shí)驗堆( International Thermonuclear Experimental Reactor2ITER) 計劃目標是要建造一個(gè)可自持燃燒的全超導托克馬克核聚變實(shí)驗堆,以便對未來(lái)聚變示范堆和商用聚變堆的物理問(wèn)題和工程問(wèn)題作深入的探索。參加ITER 計劃,是中國為國家未來(lái)能源可持續發(fā)展而作出的重大決策,充分彰顯了中國對全球重大發(fā)展問(wèn)題負責任的態(tài)度和積極參與國際科技合作、充分利用國際科技資源促進(jìn)自主創(chuàng )新的雄心和決心。而全面推動(dòng)ITER 采購包預研任務(wù)的執行,為采購包制造任務(wù)按期、保質(zhì)、保量的完成奠定堅實(shí)基礎,是我國目前主要工作之一。
線(xiàn)圈終端盒CTB (Coil Terminal Box) 是ITER 裝置中超導饋線(xiàn)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(guò)渡饋線(xiàn)S彎盒的外側,為饋線(xiàn)系統中的管、纜、線(xiàn)分別與低溫車(chē)間、電源大廳以及數據收集系統的相聯(lián)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(cháng)×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(huán)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(xiàn)不失冷、失超是保證ITER 裝置可靠運行的關(guān)鍵。按照國際組ITER 設計技術(shù)要求,CTB 盒及其內部所有部件都必須分別制作實(shí)驗件并制作組裝完整原型件,反復進(jìn)行多次試驗預研,確保各項技術(shù)指標達到性能要求 ,方可進(jìn)行下一步的工作。本文系統地從理論上對CTB實(shí)驗件冷屏進(jìn)行設計分析討論,并利用FLUENT 軟件進(jìn)行數值模擬分析,然后通過(guò)實(shí)驗對比驗證理論分析結果的正確性。
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3.2、討論
由于CTB 冷屏內部電流引線(xiàn)及其它部件已經(jīng)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(shí),通氣管道密封破損漏氣,經(jīng)維修后恢復正常,因此這個(gè)時(shí)段溫度曲線(xiàn)有波折,但隨后的整個(gè)實(shí)驗過(guò)程一切正常。盡管數值分析結果顯示7 號位置點(diǎn)的溫度最高,而理論分析也應該是7 號點(diǎn)溫度最高。但由于電流引線(xiàn)的溫度從前至后是從4.5K逐漸過(guò)渡到65K的,對其周?chē)淦羷荼卦斐梢欢ǖ挠绊?因此使得處在電流引線(xiàn)高溫段外圍的1 號位置點(diǎn)溫度提高,超過(guò)了最高點(diǎn)7 號位置點(diǎn)。而其它各位置點(diǎn)的溫度與數值分析結果基本接近。
由以上實(shí)驗測試結果可見(jiàn),采用本文敘述的理論分析和數值模擬方法進(jìn)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(wú)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(shí)際設計的重要依據。
4、結論
本文首先通過(guò)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(jìn)行數值模擬仿真分析,最后將分析結果作為依據進(jìn)行實(shí)驗驗證,并對實(shí)驗數據和數值模擬結果進(jìn)行了分析比較。
實(shí)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(shí)實(shí)驗結果與理論分析結果非常吻合,說(shuō)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(shí)驗提供了可靠的依據。
