损耗对CICC导体设计影响的模拟研究

聚变装置上低温超导磁体的管内电缆导体(Cable-in-Conduit Conductor,CICC)运行在大电流和快速变化磁场环境中,导体的合理设计是其能否稳定运行的关键。由于工程上CICC导体的设计是一个多次尝试和优化的过程,为此提出了基于稳定性和损耗机理的导体设计思想;推导了关于CICC导体结构参数矩阵方程;建立了导体数值仿真的基本设计模型。同时进行了导体的模拟设计,并将仿真设计结构与工程设计情况进行了比较和分析,结果证明二者吻合的较好。     

CICC导体数值模拟设计的发展

管内电缆导体(Cable-in-Conduit Conductor,简称CICC)是大型低温超导磁体的首选导体,在大电流和快速变化磁场环境中,CICC导体能否稳定运行受多种因素影响,因而对CICC导体的稳定性以及导体的设计进行数值模拟,来简化工程上CICC导体设计研究的复杂烦琐过程,缩短工作周期。目前,国内外关于CICC数值模拟的程序,由于侧重于解决不同的问题,各有利弊。基于此,文中在系统阐述CICC数值模拟领域内的相关情况后,对它们进行了全新的总结和论述,并给出了导体数值模拟研究的一些可能发展方向。     

CICC超导体数字模拟设计

CICC超导体是大型低温超导磁体的首选导体,在大电流和快速变化磁场环境以及给定稳定性裕度等条件下,开展CICC超导体结构的优化设计及稳定性分析的研究就显得非常重要。因此文中针对CICC导体设计,提出数字模拟设计的想法,并将数字模拟设计结果与工程设计值进行了比较和分析,二者基本吻合。     

CICC导体交流损耗数字模拟研究

C ICC超导体是大型低温超导磁体的首选导体,它运行在大电流和磁场快速变化的环境中,磁通进出超导体以及外界磁场的变化会产生交流损耗,而交流损耗对C ICC超导体稳定性运行有很大的影响,这样开展C ICC超导体交流损耗的研究就显得非常重要。因此,文中针对C ICC导体运行条件和几何结构,提出交流损耗数字模拟的想法,并将数字模拟结果与工程计算值进行了比较和分析,二者基本吻合。     

CICC导体接头电阻低温实验平台

ITER计划是目前国际最大的科技合作项目,中国承担ITER PF/TF/CC/CB/MB等超导导体及全部CC磁体、PF6大线圈的研制任务。CICC导体接头技术是磁体研制中关键技术,为了开展ITER超导磁体接头的研制,中国科学院等离子体物理研究所建立了大电流超导导体接头电阻低温实验平台。该平台主要包括:Φ300mm低温杜瓦、20kA超导变压器、电源系统、失超保护系统及数据采集系统。详细介绍了该测试平台的设计、研制,并利用该测试平台开展了多次ITER CC导体接头电阻的低温实验研究工作。     

基于能量裕度和温度裕度CICC导体数字模拟设计

CICC(Cable-in-Conduit Conductor)超导体是大型低温超导磁体的首选导体,在大电流和快速变化磁场环境中以及给定稳定性裕度、温度裕度、空隙率等条件下,开展CICC超导体结构的优化设计及稳定性分析是非常重要的。因此,文中针对CICC导体设计问题,提出数字模拟设计的想法;推导了关于CICC导体结构矩阵参数的算法;建立了导体数字模拟的模型;同时将数字模拟设计情况与工程设计值进行了比较和分析,结果二者基本吻合。     

有限元方法在中子测井数值模拟中的应用

讨论了有限元方法在中子测量井数值模拟中的应用。用有限元方法求解多群Ｐ１近似中子输运方程，编制了二维有限元程序ＦＥＭＬＯＧ，并对中子测井问题进行了数值计算，所得结果同国际通用二维ＳＮ程序的计算结果进行了比较，二者符合良好，但其计算速度比ＳＮ方法快得多。     

大截面刚度CICC导体螺旋放送系统的设计与校核

聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)是为了探索与建设中国聚变工程试验堆(CFETR)关键技术和原型系统的大科学装置.环向场(Toroidal Field, TF)线圈是CRAFT系统的重要组成部分,旨在制造出用于CFETR的环向场原型线圈.本文结合CRAFT TF线圈的结构特点和无张力绕制的工程需求,针对大截面刚度CICC导体恒速度、恒高度螺旋放送的技术难点,完成了导体放送系统的结构设计,并采用ANSYS软件对关键承载部件进行静力学校核,验证了导体放送系统结构设计的可靠性和材料选择的合理性.同时,对导体的螺旋放送过程进行简化,建立了待放导体旋转与下降过程的力学模型,获得了导体放送过程中克服转动惯量所需摩擦力的变化曲线,为导体安装撑紧力的设置提供了依据.     

未来聚变堆用高温CICC导体发展现状及工程质量控制

相对于浸泡式冷却和制冷机冷却的磁体或线圈,CICC导体具有高冷却效率、高稳定性和高强度、可绕制成大尺寸线圈等特性,被广泛应用于加速器及核聚变等大科学装置中。目前,用于制备CICC的超导材料Nb Ti和Nb3Sn都属于低温超导材料,其中Nb3Sn制备的CICC可以在13T左右的磁场中使用,较具代表性的如ITER中心螺旋管线圈。未来聚变堆中需要更高的磁场来约束高能量密度等离子体,这不仅要求超导材料具有高场载流能力,也需要更好的机械性能来抵抗更大电磁力造成的应变。现有低温超导材料已无法满足这些要求,需要发展可用于CICC的新型超导材料予以替代。文中主要介绍了Bi2212和YBCO两种高温CICC导体的研究现状,以及将来可采取的工程质量控制方法。     

Bi-2212 CICC导体用铠甲材料Ni-80Cr力学性能研究北大核心

CFETR(中国聚变工程试验堆)是一种新的托卡马克装置。这个商用反应堆要求极高的高场超导磁体。CS和TF导体的最大磁场将达到大约15 T,这远远高于现在的反应堆。为了满足需求,新的导体Bi-2212 CICC被认为是潜在的一个超导磁体。因为Bi2212线需要承受在氧气环境下的特殊高温热处理,铠甲的材料是一个关键问题。作为一种新材料,Ni-80Cr性能优良,而且在高温下与Bi-2212接触时,几乎不与其发生反应。为了研究Ni-80C的机械性能,将样品的力学性能放在不同的温度下(高温、室温、低温)进行测试。测试的结果在本文中给出。     

阴极金属微凸起电场增强因子数值模拟

 利用有限元方法对无穷大平板二极管中阴极表面金属微凸起的微观电场增强因子进行了计算研究,给出了微凸起微观电场增强因子随凸起参数的变化规律,拟合得到了微观电场增强因子的简单实用的经验表达式,并与文献中的近似公式进行了比较。模拟的结果表明,对锥状球头微凸起的电场增强因子,文献给出的近似公式误差较大,应避免使用。     

大气压射频氧气放电特性的数值模拟研究

基于漂移扩散近似,对大气压下氧气射频放电产生的等离子体建立了一维流体模型,包括了电子、正离子和负离子的连续性方程、电子能量方程及泊松方程。采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽的数值模拟,得到了相应的数值结果。通过对所得数值结果的分析,研究了大气压下氧气放电的基本特性。研究表明,大气压氧气放电中等离子体密度可达到10¹²cm^-3 ,电子温度约在1.23eV,放电中主要的负离子是O^-离子;随着电压峰值的增加,电子密度、电子温度都增加,但n_O-/n_e 的比率先增加到7.5%又后减小到5%,在电压峰值为700V 时达到最大。     

高频腔本征值问题的三维数值模拟

 运用有限积分法软件MAFIA和有限元软件ANSYS对两类高频腔的本征值问题进行数值模拟，将模拟结果与部分实验数据进行验证，得到了比较一致的结果，其平均计算精度在5%以内，证实了两种电磁软件都可用于高频腔本征值问题的数值模拟，在计算精度上为满足工程设计需要做了一些研究。另外将两种模拟软件在计算时间上作了对比。     

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以磁流体理论为基础,采用基于有限体积法的通量差分分裂格式数值求解具有双曲保守律形式的电阻磁流体方程组.编写C++程序对平板几何位形下的等离子体双撕裂模进行了长时间数值模拟,得到双撕裂模不稳定性的演化图景,捕捉到了双撕裂模非线性发展过程中磁场重联的几个典型阶段,讨论了等离子体电阻和两个有理面之间的距离对双撕裂模不稳定性非线性发展的影响.为研究磁流体动力学提供了一种可行的高精度数值算法.     

基于有限体积法数值模拟双撕裂模非线性演化

以磁流体理论为基础,采用基于有限体积法的通量差分分裂格式数值求解具有双曲保守律形式的电阻磁流体方程组。编写C++程序对平板几何位形下的等离子体双撕裂模进行了长时间数值模拟,得到双撕裂模不稳定性的演化图景,捕捉到了双撕裂模非线性发展过程中磁场重联的几个典型阶段,讨论了等离子体电阻和两个有理面之间的距离对双撕裂模不稳定性非线性发展的影响。为研究磁流体动力学提供了一种可行的高精度数值算法。     

颗粒分层过程三维离散元法模拟研究

采用软球干接触模型对球形及非球形颗粒的分层过程进行了三维离散元法模拟研究,从颗粒间作用力、转动力矩和能量变化的角度分析了颗粒分层机理,讨论了颗粒的粒度比对分层速度的影响规律.结果表明,分层过程中,大颗粒比小颗粒活跃,非球颗粒由于具有较高的动能而比球颗粒活跃,在一定程度上弥补了颗粒形状对分层过程的影响.大颗粒间的平均法向、切向作用力、平均力矩及平均动能均大于小颗粒.颗粒分层速度随着粒度比的增加而显著增大,当粒度比大于临界粒度比3时,分层速度的增幅减缓.     

基于COMSOL的纳米傅里叶红外光谱系统数值模型

傅里叶红外光谱(FTIR)是材料表征的一种重要手段,然而受限于光的衍射极限,传统傅里叶红外光谱仪的极限空间分辨率在微米量级,无法应用于纳米材料的表征.纳米傅里叶红外光谱(Nano-FTIR)是一种新兴的超分辨光谱表面分析技术,其以纳米级空间分辨率、宽光谱范围和高化学灵敏性的特点在纳米材料表征研究中展现了巨大的潜力.定性...     

Numerical simulation of the ultrasonic waves generated by ring-shaped laser illumination patterns

The generation of ultrasound in aluminum plate subjected to ring-shaped laser beam illumination has been studied quantitatively by using the finite element method. The superposition effects of surface acoustic waves on the top surface and the bulk ultrasonic waves on the rear surface of specimen have been obtained in a single simulation. The typical displacement profiles of the bulk ultrasonic wave at various depths along the central axis of the ring are obtained for three different radii, and the effect of the ring radius on the focal depths of the compression and shear mode are determined. The numerical results confirm that the focal depth of a bulk acoustic mode is determined by the directivity patterns of the acoustic mode generated by point-like laser sources via a thermoelastic mechanism, which depends on the physical constants of elastic medium.