ITER磁体支撑结构有限元分析

磁体支撑结构是国际热核聚变实验反应堆(ITER)的重要部件,对其进行力学特性分析研究是确保整个反应堆正常运行的关键。通过对磁体支撑结构各工况下的强度、刚度的数值分析,给出了磁体支撑结构对应工况下各零部件的应力分布及变形量;分析结果表明磁体支撑结构各零部件的最大应力值均小于许用应力,满足强度要求,各零部件变形合理,不会出现脱开失稳现象。通过数值分析,为国际热核反应堆磁体支撑结构提供了理论设计数据,提升了磁体支撑结构的安全性和可靠性。     

FAIR收集环超导二极磁体支撑设计与热负荷分析

为保证FAIR收集环(Collector ring-CR)超导二极磁体工作过程中的磁场位形符合设计要求,同时保证由磁体支撑带来的热负荷小于设计要求,用CATIA软件建立了不同结构的磁体支撑3D模型,并用ANSYS有限元分析软件对建立的模型进行了低温热负荷分析和结构分析。通过比较分析的结果和对磁体支撑结构进行的进一步优化,确定了316LN+G10材料的支撑结构,为收集环超导二极磁体工程制造提供了参考。     

ITER极向场PF6磁体支撑冷却系统的优化设计及制造

提出了深孔钻直冷方案用于优化 ITER 极向场 PF6 磁体支撑冷却系统设计。采用有限元分析方法, 从换热效率、流体压降、结构强度等方面对流道数量和孔径进行了最优化设计。结果表明,9 条直径 10mm 的冷 却流道可以达到最佳的冷却效果。同时,在服役环境下支撑部件的机械强度和温度分布、流体的运行参数均能满 足 ITER 磁体支撑的设计要求。目前所有 PF6 磁体支撑已完成了制造和检验,并顺利交付 ITER 组织。      

特殊工况下的高温超导磁体设计

基于特殊工况下移动式高温超导磁体(HTS)的设计要求,提出了三种带材的绕制方案。依据经济性和基本设计原则选择了混合磁体设计方案,并对磁体的线圈,绝缘和支撑进行了设计。利用有限元软件对磁体线圈进行了电磁学分析,并根据不同工况条件对磁体的结构进行了力学分析,分析结果表明设计结果符合设计要求,为高温超导磁体的制作和实验提供了可靠依据。     

中国科学院近代物理研究所磁体工程进展概述(英文)

本文着重论述了中国科学院近代物理研究所目前正在研制的三大磁体工程,它们包括重离子治癌工程(HIMM),强流重离子加速器(HIAF)工程,以及加速器驱动次临界系统(ADS)。在HIMM工程中的常规磁体建设中,着重介绍了联合运用钝化槽与活极头两项技术改善磁场品质的设计方法,并且运用Opera-3D设计软件,对该类高场常规磁体进行了数值分析,进一步地测量了该磁体磁场分布情况,相关的测量结果与数值模拟结果吻合良好。而对于正在处于预研阶段的HIAF工程中的快脉冲超导二极磁体,讨论了超导磁体的前期设计与结构优化技术,包括CACC超导线缆的结构设计,80 K冷屏与线圈盒结构的优化,力-磁耦合结构计算方法等。而在嬗变核废料处理的C-ADS注入器II中,核心部件是具有高磁场(高达7～8 T)的多层复合超导螺线管磁体结构,介绍了其在励磁和失超过程中相关磁学和力学多场实验测试工作。这些相关的设计和测量技术将为中国科学院近代物理研究所自主研制的磁体工程的物理和结构设计提供方法和指导。     

ITER 磁体支撑结构多维加载系统测控系统的设计

为了验证ITER 磁体支撑结构的可靠性,建立了多维加载测试平台对支撑部件进行机械性能检测。测量控制系统由7 台EDC 控制器、计算机系统、16 通道准动态应变仪、25 只位移传感器、7 套油缸中的负荷和位移传感器组成。基于可编程语言,利用EDC220 数字控制器实现了多通道协调加载的测量和控制过程,完成了 7 套双油缸高精度同步控制实验。针对典型的加载工况进行工程测试。结果表明,测控系统设计合理,控制系统可靠,能满足下一步的实验要求。     

CCT型超导组合磁体样机结构设计

基于斜螺线管型(Canted-Cosine-Theta,简称CCT)线圈结构,研制了一台四极与六极组合的超导磁体样机,它的四极和六极梯度场分别为22 T/m和120 T/m²。该组合型磁体的好场区范围为Φ0.16 m×1.3 m,有效长度为1.3 m。其中四极与六极磁体均采用两层骨架结构,每层骨架的线槽内并排放置多层多根超导线。本文根据导体轨迹,以约束电磁力为结构设计目标,设计了磁体关键部件线圈支撑骨架和磁体内外支撑结构,并介绍了磁体制造过程中的关键环节。     

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为了验证ITER磁体支撑结构的可靠性,建立了多维加载测试平台对支撑部件进行机械性能检测。测量控制系统由7台EDC控制器、计算机系统、16通道准动态应变仪、25只位移传感器、7套油缸中的负荷和位移传感器组成。基于可编程语言,利用EDC220数字控制器实现了多通道协调加载的测量和控制过程,完成了7套双油缸高精度同步控制实验。针对典型的加载工况进行工程测试。结果表明,测控系统设计合理,控制系统可靠,能满足下一步的实验要求。     

超导Wiggler磁体实验

本给出了超导Ｗｉｇｇｌｅｒ磁体的初步实验结果，讨论了的心对磁场的贡献，提出了磁体性能改善的措施。     

ITER极向场磁体支撑冷却系统设计、分析与优化

讨论了ITER装置极向场磁体支撑的冷却管道分布方式,择优选用了沿支撑体宽度方向的管道分布方式进行了计算与分析。选取了冷却剂的温度与压降以及支撑体的温度作为评判分析结果好坏的依据,用有限元方法得到了符合设计标准的冷却管道系统的设计方案与数值模拟结果。     

大孔径背景场磁体的设计与分析

基于中国聚变工程实验堆(CFETR)接头的设计要求，提供了一种大孔径背景场磁体的设计方案。构造出大孔径背景场磁体的结构，利用背景场磁体来得到相应的磁场数据，对比研究磁体的参数对磁场的影响，得出相关参数的变化规律。利用Gandalf 程序模拟计算出CFETR 接头背景场磁体的分流温度，考虑到液氦的流体力学性能，采用Gandalf 程序模拟超导股线的失超行为，估算出较为精确的最小失超能。将最小失超能作为Q₀ 值代入到程序中得出热斑温度值，分析结果表明，设计符合要求，为CFETR 高温超导接头的制作和实验提供了可靠依据。     

CFETR磁体系统的中子学计算及活化分析

用蒙特卡洛中子输运程序(MCNPX)对中国聚变工程实验CFETR超导磁体进行中子学输运计算,利用欧洲活化计算程序FISPACT对其进行活化计算分析,针对计算结果重点分析了磁体系统的中子学剂量分布以及活化情况。计算结果表明,中子能量通量最大处出现在聚变堆内侧线圈处,为3.97×10¹⁴ MeV•m^–2,在该条件下超导线圈可以满足设计要求。停机后磁体组件的活度为3.33×10¹⁰Bq•kg^–1,停机10年后下降2个数量级达到6.14×10⁸Bq•kg^–1。研究结果验证了所使用的CFETR 3维模型满足初步设计条件。     

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用蒙特卡洛中子输运程序(MCNPX)对中国聚变工程实验CFETR超导磁体进行中子学输运计算,利用欧洲活化计算程序FISPACT对其进行活化计算分析,针对计算结果重点分析了磁体系统的中子学剂量分布以及活化情况.计算结果表明,中子能量通量最大处出现在聚变堆内侧线圈处,为3.97×1014 MeV·m–2,在该条件下超导线圈可以满足设计要求.停机后磁体组件的活度为3.33×1010Bq·kg–1,停机10年后下降2个数量级达到6.14×108Bq·kg–1.研究结果验证了所使用的CFETR 3维模型满足初步设计条件.     

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A design scheme of large aperture field magnet is provided based on the design requirements of the China Fusion Engineering Testing Reactor (CFETR) joints. Using the background field magnet to get the corresponding magnetic field data, the influence of the magnet parameter on the magnetic field is compared, and the corresponding magnetic field data are obtained. Gandalf program was used to simulate the shunt temperature of CFETR field magnet under operating conditions. Considering the hydrodynamic performance of liquid helium, Gandalf program was used to simulate the quench behavior of superconducting strands and to estimate the more accurate minimum quenching energy. The minimum quench value can be used as the Q₀ value inputted into the program to obtain hot spot temperature value. The analysis shows that the design meets the requirements for the production of high temperature superconducting magnets and provide reliable basis for manufacture and experiments.     

CSNS\RCS引出系统快脉冲冲击磁铁样机的设计

 设计了中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)引出系统快脉冲冲击磁铁样机。为降低磁铁和其电源的研制难度,保证运行的可靠性,决定采用美国散裂中子源(SNS)的Single-turn结构。根据磁铁的设计指标,给出了磁铁设计要求铁芯材料选择方法、整体的结构设计以及如何对磁铁进行定位和准直,并采用Opera程序进行模拟计算,结果表明：当铁芯长度为220 mm时,磁有效长度大约为302 mm;磁感应密度最大的地方在4个内角上,约为0.215 T;在133 mm×200 mm的平面范围内,磁场均匀性优于±0.8%。理论分析和Opera程序模拟均验证了磁铁结构方案的可行性。     

用于超导实验的背场磁体研制

在进行超导材料特性、交流损耗测量等超导实验时,需要为实验提供大小可变、均匀性好的背景磁场。文中对自行研制的背场磁体进行了测试研究,发现选择性对组合铜线圈供电能够提供合适的磁场,满足实验的要求。     

SECRAL超导磁体系统的结构分析

An advanced superconducting ECR ion source named SECRAL has been constructed at Institute of Modern Physics of Chinese Academy of Sciences,whose superconducting magnet assembly consists of three axial solenoid coils and six sextupole coils with a cold iron structure as field booster and clamp.In order to investigate the structure of sextupole coils and to increase the structural reliabilities of the magnet system, global and local structural analysis have been performed in various operation scenarios.Winding pack and support structure design of magnet system,mechanical calculation and stress analysis are given in this paper. From the analysis results,it has been found that the magnet system is safe in the referential operation scenarios and the configuration of the magnet complies with design requirements of the SECRAL.     

CFETR纵场磁体线圈内馈线结构设计与分析

介绍了中国核聚变工程试验堆(CFETR)纵场磁体线圈馈线系统内馈线的结构,它由外盒体、万向节、 超导母线与冷却管路以及内部支撑架等子部件组成。在纵场磁体线圈内馈线工况下,对其进行了结构设计,并通 过有限元分析,获得了内馈线工作状态下的应力和位移分布云图。结果表明,最大应力与最大位移变形均满足设 计使用要求。      

开放式自屏蔽全身成像高场超导MRI磁体优化设计

本文发展了开放式自屏蔽全身成像高场超导磁共振成像（MRI）磁体的优化设计方法,使设计出来的磁体仅有4 对超导线圈. 这种开放结构的超导MRI磁体优化设计方法集成了线性规划算法和遗传算法. 通过迭代线性规划算法可以在考虑成像区域（DSV）磁感应强度约束、磁场不均匀度约束、5 Gs线范围约束、线圈区域最大磁场值约束和最大环向应力约束的条件下,获得用线量最少的线圈初始形状和位置,同时可以得到每个线圈的层数和每层匝数;通过遗传算法可以提高DSV区域的磁场不均匀度,以达到高质量成像的要求. 这种集成的优化设计方法既可以灵活有效的设计开放式MRI磁体,也可以设计传统的圆柱形MRI磁体,本文通过一个1.2 T的开放式MRI磁体的设计清楚的展示了这种优化方法. 关键词： 线性规划算法 遗传算法 自屏蔽 开放式超导MRI磁体