ITER 校正場線圈氦進出管的設計及低溫疲勞試驗

馬強

摘要：校正場線圈的超導導體需要在低溫下才能實現超導，為了提供足夠低的溫度，導體內要通有迫流氦。氦管是液氦進出導體的必要通道，本文對氦管結構進行了設計，并在77K低溫條件下對氦管進行低溫疲勞試驗。

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.

關鍵詞：氦管;液氮;低溫;疲勞

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

0? 引言

國際熱核聚變實驗堆ITER[1-5]是目前全球規模最大，影響最深遠的國際合作項目之一。ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導托卡馬克裝置，用于進行熱核聚變的可行性研究，將解決由理論實驗通向聚變電站的關鍵性問題。

1? 校正場的介紹

ITER 校正場超導磁體系統（以下簡稱CC）[6]主要用來補償由于制造公差、接頭、引線、母線及裝配公差造成的縱場和極向場線圈和繞組位形偏離所帶來的磁場誤差。因為任何加工和組裝都要求給出合理的公差，諸如超導導體接頭和電流引線等都必然帶來裝置實際與設計計算的偏差，這些公差和偏差就會引起裝置磁場的誤差。這些誤差需要認真對待，盡可能消除或者減少影響。

校正場超導磁體系統由上（Top）、側（Side）、下（Bottom）三組線圈構成，每組6個，共18個線圈。每一個上、下線圈呈60度扇形，橫跨3個縱場線圈;每一個側線圈布置在徑向占位40度，橫跨2個縱場線圈。所有超導磁體均采用NbTi材料的CICC超導導體，導體尺寸為19.2mm。校正場磁體系統的布局圖如1所示。

2? 氦進出管的設計

CC線圈的超導導體需要低溫才能實現超導，為了達到低溫條件，導體內要通有迫流氦。CC線圈采用的是單線餅繞的結構，如果只在導體的兩端一進一出輸送液氦，流阻將會很大，導致壓力大;并且液氦冷卻的進出溫差大。因此液氦的流通采用多進多出的多通道方式。這就需要在超導體上的相應位置剝開導體鎧甲焊接上氦進出管來形成多通道。B/TCC的液氦流通方式是4進5出，如圖1所示。SCC的液氦流通方式是2進3出，如圖2所示。

對于B/TCC，液氦從四個氦管入口進入后在線圈導體內形成了八條不同的流通路徑，最終從包括兩端在內的五個出口流出。以此類推，對于SCC，流通方式由兩個入口、四條路徑、三個出口構成。

氦進出管的作用是連接CC導體需要流通液氦的進出和低溫系統回路。氦進出管的設計采用變截面的形式，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構，端部圓內徑為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，長度75mm的圓管構成。

3? 低溫疲勞試驗

①試驗設備：Instron 8802軸向復合拉扭疲勞試驗機（Capacity： load±120kN;Torque： ±1000N·m）;低溫引伸計/Nyilas-type Extensometer（CEME）;CryoLab低溫系統（4.2～300K）銠鐵溫度傳感器（Temperature sensor），精度±0.1K;溫度測試系統（KEITHLEY 2000 MULTIMETER）。

②試驗環境：液氮。

③試樣如圖7所示。

④試驗參數：

4? 試驗結果

77k下十個連續循環的平均峰值負荷如圖8所示。

5? 結論

在60000次循環之前，沒有觀察到試樣的擊穿失效。沒有發生斷裂，并且經過氦質譜檢漏測試后漏率低于1×10-9Pa·L/S，因此可以得出結論氦管樣品能夠承受60000次的循環疲勞。

參考文獻：

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