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国际热核聚变实验堆(ITER)计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克。2006年5月24日,经国务院批准,中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同签订了ITER计划协定。中国承担了磁体馈线系统的研制工作,高温超导电流引线是ITER馈线系统的关键部件,分别为TF/PF/CS/CC磁体传输68kA/52kA/45kA/10kA的特大运行电流。本沦文针对ITER高温超导电流引线开展了设计与工艺研究,其主要内容包括:
(1)给出了ITER电流引线的设计要求与参数指标,包括载流能力、接头电阻、冷端热负荷、高压绝缘、时间常数等;归纳了电流引线的优化设计结构参数的计算理论方法,换热器效率与压差的计算方法,由LOFA时间与Burnout时间决定换热器和分流器结构参数的计算方法,电流引线温度分布与热负荷的计算等。
(2)研究了52kA高温超导电流引线试验件的设计与结构,重点论述了52kA试验件的叠片换热器比较68kA试验件翅片换热器的特点优势,研究了换热效率与氦流量间的关系;设汁了换热器与高温超导段之间的氦冷却中间过渡段的创新结构,可以进一步提高换热效率,减小冷量,同时可以提高电流引线安全性;52kA试验件采用了Innost超导叠平行焊接于青铜-不锈钢柱状二元分流器设计;低温超导段采用EAST的NbTi/Cu线软钎焊于分流锥后与高温超导段间接软钎焊搭接;52kA试验件与其配对的68kA试验件一道进行了稳态通电、分流温度、失冷安全等测试,针对实验结果进行了一些分析。
(3)基于52kA电流引线试验件加工中与测试中所反映的问题,在10kA电流引线试验件中进行了结构与工艺改进,包括内部水冷设计保持终端室温;叠片换热器集成在不锈钢盒内,两端通过电子束焊接,增加了机械强度,同时降低接头电阻;绝缘法兰设计也采用了更可靠的嵌入式设计,对于10kA试验件的测试结果也进行了分析。
(4)研究了电流引线的工艺与组装流程,分别摸索了52kA和10kA试验件的关键工艺技术,包括真空钎焊、超导叠与分流器软钎焊、分流锥软钎焊、电子束焊接、低温超导缆的处理等;对一些焊接装配过程中的工装设备也同时进行了设计研究。
(5)最后设计了最终电流引线原型件的预设计与最终设计两种结构,阐述了两种设计的原理与结构,对区别于试验件的关键工艺也进行了实验探索。