ITER校正场线圈的结构分析

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1、第29卷第3期核聚变与等离子体物理Vol.29,No.32009年9月NuclearFusionandPlasmaPhysicsSep.2009文章编号：0254−6086(2009)03−0264−06ITER校正场线圈的结构分析曾文彬，吴维越(中国科学院等离子体物理研究所，合肥230031)摘要：阐述了ITER校正场线圈的结构及其支撑设计。运用有限元法，对正常运行状态下的线圈进行电磁分析，据此对线圈进行了结构分析，对支撑的位置进行优化分析。初步论证了校正场系统结构的安全可靠性。关键词：有限元分析；I

2、TER；校正场线圈；电磁；结构+中图分类号：TL622文献标识码：A1引言2.1结构设计ITER是一项研究热核聚变的国际合作的大规ITER校正场系统共有18个线圈，其中顶线圈模科学工程[1]，以开展聚变能研究，为将来人类能(TCC)6个、边线圈(SCC)6个以及底线圈(BCC)6个，够运用这种干净、丰富的能源提供工程技术与物理都在整个超导磁体系统中成圆形阵列分布，如图1参数为目的。其包括超导磁体系统、真空室、冷屏、所示。外真空杜瓦等一系列主要部件以及电流引线、低温致冷系统、电源系统等一系列附属部件。超导

3、磁体系统作为ITER的核心部件之一，包括超导纵场(TF)系统、超导极向场(PF)系统、超导中心螺管(CS)系统以及超导校正场(CC)系统，其中校正场系统的作用是补偿ITER内部由于线圈安装误差、制造误差、变形误差以及其它误差引起的磁场分布误差。在强磁约束的情况下，ITER内部的等离子体将经过击穿、平顶到熄灭的一系列循环状态变化过程，而在这样一个循环变化过程中，PF线圈及CS线圈上的电流也会随着等离子体状态的变化而变化，这就将导致校正场线圈上的磁场强度发生变化，进而影响到校正场线圈的结构强度。因此，需要选

4、取其磁场强度最大的时刻进行相应的分析，确图1TF、PF、CS、CC线圈的整体分布图保安全可靠。校正场线圈主要包括内部的超导绕组、中间的本文先对校正场线圈进行电磁分析，得到其在绝缘层以及最外的不锈钢线圈盒三部分。其中内部磁场强度最大时刻的电磁载荷，然后应用此电磁载的超导绕组是由一定数量的外表裹有绝缘材料的荷进行下一步的结构分析，并对线圈的支撑布局进CICC导体以行列的形式密排在线圈盒里(其中TCC行了优化分析。为8×4，SCC为4×5，BCC为8×4)，经环氧真空压力浸渍后形成，而CICC导体则是由超导股

5、线(NbTi2结构与支撑设计线)与具有良好柔韧性及强度的导电金属(Cu)多级收稿日期：2008−08−01；修订日期：2009−03−15作者简介：曾文彬(1984－)，男，湖南邵东人，硕士研究生，主要从事电物理装置设计与分析方面工作。第3期曾文彬等：ITER校正场线圈的结构分析265[3]绞制，穿入316LN不锈钢方管中形成，从线圈截钢，主要采用夹钳形式，并以螺栓连接。其中TCC面上可见，每个相邻的CICC导体间都夹有一层很和BCC共有8个支撑，在外弧及内弧上各自分布薄的匝间绝缘及层间绝缘；中间的绝缘

6、层是在每两有3个支撑，两侧则各有1个支撑，其侧面支撑通个0.25mm厚的薄玻璃丝布中夹一0.05mm厚的聚过与相邻线圈的侧面支撑相连然后一起固定在TF[3]酰亚胺膜堆叠包夹至8mm厚然后压制而成；最外线圈盒上，而外弧及内弧上的支撑则是通过直接连的不锈钢线圈盒则是采用双L型结构，通过焊接密接到TF线圈盒上以固定；SCC共有17个支撑，在封形成。图2为BCC结构、支撑及截面图；图3上弧上分布有5个支撑，下弧上分布有4个支撑，为SCC结构、支撑及截面图。两侧则各有4个支撑，其所有的支撑都是通过直接连接到TF线

7、圈盒上以固定。由于线圈主要受ITER强磁场引起的电磁力作用，因此，支撑的分布位置应该尽可能同线圈上的磁场强度(电磁力)分布相适应，即支撑应尽量布置在电磁力较大的地方。3结构分析3.1电磁分析由于磁体系统的磁场是由通电的超导线圈产生，因此只需要选取线圈内部的超导绕组代表整个线圈进行建模并进行电磁分析，又因为校正场线圈处在整个超导磁体系统中，TF线圈、PF线圈、CS线圈以及等离子体都对它的磁场分布产生影响，因[2]图2BCC结构、支撑及截面图(TCC类似)此，就需要建立所有线圈模型，但整体模型过大，不便于分

8、网计算，不过由于超导磁体系统是完全的圆周对称，故可以选用1/6对称模型来进行分析以减小运算时间，如图4所示，其中PF线圈与CS线圈都由6个线圈组成，而CS线圈从顶部开始依次为：CS3U、CS2U、CS1U、CS1L、CS2L、CS3L。[2]图3SCC结构、支撑及截面图校正场线圈中TCC与BCC结构一致，都采用60º扇形结构，并在线圈盒内弧上布置有2个减少涡流的绝缘法兰，在外弧上设有接线区，装配时，法兰以螺栓固定，在接合处以焊接密封，并在绝