ADS注入器超导磁体降温过程研究

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加速器驱动次临界系统(ADS,Accelerator Driven Sub-critical System)在处理核废料和提高核燃料利用率等方面具有非常广阔的应用前景。本文以ADS注入器超导磁体的研制为背景,以超导磁体的低温垂直测试为研究主线,对电流引线优化、超导磁体降温过程和失超过程进行了研究。对ADS超导磁体低温垂直测试系统而言,直接连接超导磁体与室温端的电流引线的漏热在整个系统漏热中占有非常大的比重,因此优化电流引线对减少整个系统的漏热具有重要意义。采用理论优化方法给出电流引线的最优几何参数和沿长度方向的温度分布,与数值模拟结果吻合良好;模拟分析了材料物性(RRR)对电流引线过载热稳定性的影响;对电流加载和运行电流波动两种非稳态工况的模拟结果表明在电流引线冷端设计大质量铜质冷沉可以显著减小非稳态工况条件下冷端温度波动幅度。ADS超导磁体从室温冷却到4.2K的低温状态预计需要接近一天时间的连续冷却才可能实现,为了确定一种安全、高效、经济的冷却降温方案,在超导磁体降温测试之前对降温过程进行了数值模拟。模拟结果表明磁体冷却到7K以后继续使用冷氦气使其降温非常困难,在磁体降温的最后阶段采用液氦直接冷却的效果更好。分析了液氦消耗量与注液起始温度、注液速度的关系,模拟并分析了积累液氦阶段测试杜瓦内磁体的复温情况;从安全性、经济性、时效性出发,提出了使用制冷机循环冷氦气将磁体预冷至60K后开始积累液氦,最后利用液氦直接冷却磁体的降温流程。给出了超导磁体降温测试曲线,磁体降温实际耗时约20小时,其中氦气冷却阶段耗时16.5小时,积累液氦耗时3小时;对比了模拟降温曲线和实测降温曲线磁体降温趋势的异同并分析了其原因。ADS超导磁体励磁过程中交流损耗和低温系统漏热的共同作用可能引发磁体失超,导致测试杜瓦中的液氦在短时间内大量气化,造成出口氦气流量突然增大。氦气压缩机进口流量超过其最大吸气能力40g/s后将自动停机,导致系统中的氦气通过安全阀泄流,造成安全隐患和经济损失。在超导磁体励磁测试之前对失超过程进行了数值模拟,给出了杜瓦积液量与失超后出口流量峰值的关系,研究结果表明磁体单次失超对系统安全运行没有影响,原因是冷却通道内液氦体积有限并且失超能量向磁体表面传导较慢。失超后磁体温度变化趋势说明失超能量全部释放完毕大约需要10分钟,表明磁体老练时在加载电流前要给予磁体充分的冷却时间。ADS超导磁体在励磁测试过程中运行稳定,磁体的主动失超未造成测试杜瓦出口氦气流量明显升高,制冷系统运行平稳。
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