EAST大型托卡马克装置纵场超导磁体热负荷的计算与实验

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EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)超导托卡马克核聚变实验装置,是国家大科学工程建设项目。纵场(Toroidal Field)磁体系统是EAST装置的重要组成部分,它是采用以NbTi/Cu为超导材料的CICC(Cable in Conduit Conductor)绕制而成。采用超临界氦迫流冷却,使得线圈的工作温度维持在3.8K~4.5K。 本文根据纵场线圈的结构和工作温度,分析和计算了在稳定状态下由热传导、热辐射等产生的热负荷。计算结果显示:在纵场磁体温度为3.8K~4.5K的稳定工况下,热负荷值达到了3928W,其中由内外氮屏对磁体的热负荷、稀薄气体传导热和核热是热负荷的重要组成部分,大约占到了整个热负荷的96%。而冷凝吸附热、接头电阻热和电流引线引起的焦耳热则占了很小的一部分。 在等离子体放电过程和等离子体破裂后交流损耗在15ms韵时间内每单位长度上的平均损耗达到了18J/m,总的交流损耗产生的热量达到了4375W。 纵场线圈的氦流量至少保持在196g/s以上,才能一直维持3.8K~4.5的稳定状态,防止线圈温度升高出现失超现象;纵场磁体在等离子体破裂时,当流量维持在218g/s才能使线圈的温度在等离子体破裂后3分钟内恢复,并且氦流的进出口温差控制在0.5K左右。文中还给出了在磁体从300K到80K的预冷过程中,纵场线圈所需要的冷却氦流的质量流量随着温度变化的曲线。 纵场磁体冷却实验成功的模拟了磁体在运行过程中的工况。实验进行了抽真空及检漏,装置总体漏率及分系统漏率测定、装置降温及相关热工水力性能测试、接头电阻的测量的实验,得到了包括冷却回路流量、压力、温度、热负荷等关键性能参数在内的各项指标。实测接头电阻值均小于2×10—9Ω;装置主机的真空维持在了10—4~10—3pa之间;在300K~80K的降温过程中,平均降温速率约为1.02K/h,在80K~4.5K的降温过程中,平均降温速率为0.45 K/h;在稳定状态下,纵场磁体系统总的氦流量为192g/s,这些数据都将为EAST的首次运行提供宝贵的经验。
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