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ITER冷屏位于真空室与外真空杜瓦之间,其主要功能是为低温超导磁体提供热屏蔽。冷屏在设计与制造过程中涉及到力学、电磁学、传热学、真空和材料学等多个学科的知识,因此,需要对冷屏进行多种载荷工况下的计算与分析以保证冷屏的安全性与可靠性。
首先,对冷屏受到的各种载荷进行分析与分类,制定各种载荷工况下结构设计的判定依据与分析方法,为结构分析提供了评价依据。根据ITER装置运行时冷屏系统的实际运行特点,对ITER冷屏受到的各类热负荷进行了理论计算。根据冷屏的热负荷对冷屏冷却回路系统的设计进行了研究,确定了各类冷却回路设计参数,如冷却介质、管道形状和管道间距等。采用理论计算的方法验证了冷屏对低温超导磁体的各类热负荷满足设计要求。冷屏对低温超导磁体的热负荷是冷屏设计的关键参数,因此根据冷却回路的实际布置情况,使用有限元分析与理论计算相结合的方式再次分析计算了冷屏在等离子体运行和真空室烘烤两种工况下对磁体系统的热负荷,确保冷屏系统对磁体系统热屏蔽功能。同时也分析了冷屏结构的热应力分布,以检验冷却回路系统的设计是否合理。
电磁载荷是ITER冷屏的主要载荷之一,本文以ANSYS为工具建立了冷屏的电磁分析模型。分析了几种常见等离子体破裂工况下冷屏结构上的涡流分布以及电磁力大小。对冷屏结构进行了电磁载荷工况下的结构分析,分析结果显示了冷屏结构在电磁载荷下能够满足材料性能要求。采用理论计算的方式对冷屏中子屏蔽板的涡流、电磁力进行了分析计算,并计算了连接结构的设计是否满足结构强度要求。
然后,对冷屏在各类静态载荷、地震载荷以及复合载荷工况进行了力学性能分析。对比数值模拟分析结果与设计许用值,确定了结构的应力小于材料的许用应力,验证了冷屏结构设计比较可靠、合理。
最后,就ITER冷屏部件设计制造中的一些关键技术问题如表面处理工艺、真空检漏和焊接方案等开展了试验研究。对各类试验结果进行分析与总结,为冷屏的表面处理方式与方案的确定以及焊接检漏的方法提供了有效可靠的参考依据。