馬強(qiáng)

摘要：校正場(chǎng)線圈的超導(dǎo)導(dǎo)體需要在低溫下才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，為了提供足夠低的溫度，導(dǎo)體內(nèi)要通有迫流氦。氦管是液氦進(jìn)出導(dǎo)體的必要通道，本文對(duì)氦管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在77K低溫條件下對(duì)氦管進(jìn)行低溫疲勞試驗(yàn)。

Abstract： The superconducting conductor of the corrected field coil needs to be superconducting at low temperature. In order to provide a sufficiently low temperature， there is forced flow helium in the conductor. Helium tube is a necessary channel for liquid helium to enter and exit the conductor. In this paper， the structure of helium tube is designed， and K low temperature fatigue test of helium tube is carried out under 77 low temperature conditions.

關(guān)鍵詞：氦管;液氮;低溫;疲勞

Key words： helium tube;liquid nitrogen;cryogenic;fatigue

0? 引言

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER[1-5]是目前全球規(guī)模最大，影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際合作項(xiàng)目之一。ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克裝置，用于進(jìn)行熱核聚變的可行性研究，將解決由理論實(shí)驗(yàn)通向聚變電站的關(guān)鍵性問(wèn)題。

1? 校正場(chǎng)的介紹

ITER 校正場(chǎng)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱CC）[6]主要用來(lái)補(bǔ)償由于制造公差、接頭、引線、母線及裝配公差造成的縱場(chǎng)和極向場(chǎng)線圈和繞組位形偏離所帶來(lái)的磁場(chǎng)誤差。因?yàn)槿魏渭庸ず徒M裝都要求給出合理的公差，諸如超導(dǎo)導(dǎo)體接頭和電流引線等都必然帶來(lái)裝置實(shí)際與設(shè)計(jì)計(jì)算的偏差，這些公差和偏差就會(huì)引起裝置磁場(chǎng)的誤差。這些誤差需要認(rèn)真對(duì)待，盡可能消除或者減少影響。

校正場(chǎng)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)由上（Top）、側(cè)（Side）、下（Bottom）三組線圈構(gòu)成，每組6個(gè)，共18個(gè)線圈。每一個(gè)上、下線圈呈60度扇形，橫跨3個(gè)縱場(chǎng)線圈;每一個(gè)側(cè)線圈布置在徑向占位40度，橫跨2個(gè)縱場(chǎng)線圈。所有超導(dǎo)磁體均采用NbTi材料的CICC超導(dǎo)導(dǎo)體，導(dǎo)體尺寸為19.2mm。校正場(chǎng)磁體系統(tǒng)的布局圖如1所示。

2? 氦進(jìn)出管的設(shè)計(jì)

CC線圈的超導(dǎo)導(dǎo)體需要低溫才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，為了達(dá)到低溫條件，導(dǎo)體內(nèi)要通有迫流氦。CC線圈采用的是單線餅繞的結(jié)構(gòu)，如果只在導(dǎo)體的兩端一進(jìn)一出輸送液氦，流阻將會(huì)很大，導(dǎo)致壓力大;并且液氦冷卻的進(jìn)出溫差大。因此液氦的流通采用多進(jìn)多出的多通道方式。這就需要在超導(dǎo)體上的相應(yīng)位置剝開(kāi)導(dǎo)體鎧甲焊接上氦進(jìn)出管來(lái)形成多通道。B/TCC的液氦流通方式是4進(jìn)5出，如圖1所示。SCC的液氦流通方式是2進(jìn)3出，如圖2所示。

對(duì)于B/TCC，液氦從四個(gè)氦管入口進(jìn)入后在線圈導(dǎo)體內(nèi)形成了八條不同的流通路徑，最終從包括兩端在內(nèi)的五個(gè)出口流出。以此類推，對(duì)于SCC，流通方式由兩個(gè)入口、四條路徑、三個(gè)出口構(gòu)成。

氦進(jìn)出管的作用是連接CC導(dǎo)體需要流通液氦的進(jìn)出和低溫系統(tǒng)回路。氦進(jìn)出管的設(shè)計(jì)采用變截面的形式，以盡可能降低流阻以便獲得更好的冷卻效果，如圖3所示。

氦管跑道段、變截面段、圓管段依次如圖4、圖5、圖6所示。跑道段截面如圓槽狀，兩端圓外徑為11mm，內(nèi)徑為6mm，高度為13.2mm;變截面段是連接跑道和圓管的扁圓形結(jié)構(gòu)，端部圓內(nèi)徑為13.8mm、外徑為17.1mm，高度為31.8mm;圓管段是由外徑為17.1mm，厚度1.65mm，長(zhǎng)度75mm的圓管構(gòu)成。

3? 低溫疲勞試驗(yàn)

①試驗(yàn)設(shè)備：Instron 8802軸向復(fù)合拉扭疲勞試驗(yàn)機(jī)（Capacity： load±120kN;Torque： ±1000N·m）;低溫引伸計(jì)/Nyilas-type Extensometer（CEME）;CryoLab低溫系統(tǒng)（4.2～300K）銠鐵溫度傳感器（Temperature sensor），精度±0.1K;溫度測(cè)試系統(tǒng)（KEITHLEY 2000 MULTIMETER）。

②試驗(yàn)環(huán)境：液氮。

③試樣如圖7所示。

④試驗(yàn)參數(shù)：

4? 試驗(yàn)結(jié)果

77k下十個(gè)連續(xù)循環(huán)的平均峰值負(fù)荷如圖8所示。

5? 結(jié)論

在60000次循環(huán)之前，沒(méi)有觀察到試樣的擊穿失效。沒(méi)有發(fā)生斷裂，并且經(jīng)過(guò)氦質(zhì)譜檢漏測(cè)試后漏率低于1×10-9Pa·L/S，因此可以得出結(jié)論氦管樣品能夠承受60000次的循環(huán)疲勞。

參考文獻(xiàn)：

[1]Federica Bonomo，Isabella Mario，Dirk Wünderlich， Ursel Fantz. On the vertical uniformity of an ITER-like large beam[J].Fusion Engineering and Design， 2020，? 159.

[2]J.Vega， R.Castro， S.Dormido-Canto， G.A.Rattá， M. Ruiz. Automatic recognition of plasma relevant events： Implications for ITER[J]. Fusion Engineering and Design， 2020， 156.

[3]Erwu Niu， Jing Wei， Delong Luo， Kaihui He， Wen Zhao，Yalan Zhu. Qualification of key process for ITER correction coils[J]. Fusion Engineering and Design，? 2020， 156.

[4]Yohanes Nietiadi， Catarina Vidal， Raul Luís， Paulo Varela. Thermal analyses of the in-vessel frontends of the ITER plasma position reflectometry system[J]. Fusion Engineering and Design，2020，156.

[5]M. Siccinio， W.Biel， M. Cavedon， E. Fable， G. Federici， F. Janky， H.Lux， F. Maviglia， J. Morris， F. Palermo，O. Sauter， F. Subba， H.Zohm.DEMO physics challenges beyond ITER[J]. Fusion Engineering and Design， 2020.

[6]沈筱剛，劉沛航，王坤，涂正平，廖國(guó)俊，秦經(jīng)剛.ITER校正場(chǎng)導(dǎo)體不銹鋼鎧甲力學(xué)性能研究[J].低溫與超導(dǎo)，2016.

[7]方有為，胡獻(xiàn)國(guó)，杜雙松，奚維斌，衛(wèi)靖，陸坤.EAST PF8線圈氦管結(jié)構(gòu)分析和疲勞試驗(yàn)[J/OL].核聚變與等離子體物理：1-7[2020-06-22].