HT-7U超导托克马克纵场.pdf

第35卷第6期 中 国 科 学 技 术 大 学 学 报 Vo1．35，No．6 2005年 12月 JOURNALOFUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOIA)GYOFCHINA Dec．2005 文章编号：0253—2778(2005)06—0836—06 HT一7U超导托卡马克纵场 磁体系统的力学分析 阮剑华 ，张培强 ，陈文革 ，武松涛 (1．中国科学技术大学力学与机械工程系，中国科学院材料力学行为与设计重点实验室，安徽合肥 230027； 2．中国科学院等离子体物理研究所 ，安徽合肥 230031) 摘要：HT-7U超导托克马克装置的纵场线圈是整个装置的核心部件，结构复杂．对整 个线圈直接进行实验是极其困难的，有必要在设计阶段对其在液氦工作温区的力学 性能进行有限元分析计算．对纵场线圈进行了一些简化，主要对纵场磁体系统在面内 电动力作用下的应力分布进行了有限元分析计算，这些计算结果为线圈的设计和改 进提供 了一定的参考依据． 关键词：HT-7U；纵场磁体系统；有限元 中图分类号：TI62+2 文献标识码：A O 引言 超导托克马克装置H 7U是一种稳态先进运行模式的核聚变装置，它的建设和研究 计划受到了国内外核聚变界的高度关注．超导纵场磁体结构系统，是 HT_7U装置的核心部 分，为了保证纵场磁体系统结构的安全性和可靠性，有必要在设计阶段对其进行各种复杂工 、 况的应力校核和优化设计．国外一些超导托克马克装置 (如 T-15、KSTAR、SST-I、ITER 等)在设计阶段都对力学性能进行了有限元分析，并作为设计的重要依据叫．文献[-2-]对纵场 磁体系统开展了相应的力学分析，但采用的分析模型为单个独立的 “D”型线圈，边界条件给 定为两个侧面上法向约束．这种分析模型边界条件不够合理，因为在 “D”型线圈两侧存在相 互挤压，法向位移并不为零；另外原有模型中超导线圈等效为各向同性材料也不够合理；同 时原有工作电磁和结构是采用不同的软件分开独立分析，这样也会造成结构分析时电动力 载荷施加的不够精确．我们修正了以上几点，对纵场磁体系统进行了更加准确的力学分析， 并且对 “D，’型线圈间由于挤压而产生的摩擦对结构的影响也进行了初步的分析． 1 HT-7U纵场磁体系统简介 HT_7U纵场磁体系统是HT-7U装置的核心部件，由十六个 “D”型超导线圈沿环向均 收稿 日期：2003-02—17；修回日期：2004-08一10 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目， 作者简介：阮剑华，男，1976年生，博士．研究方向：结构力学分析． 第6期 H]r_7U超导托卡马克纵场磁体系统的力学分析 837 布排列组成．线圈采用五段圆弧和一段直线段组成的近似D形结构(见图1)．纵场磁体系统 的支撑方式为：纵场线圈盒体直线段相互挤紧形成内拱，用以承受纵场磁体系统受到的强大 向心力(即面内电动力)；由上下环向锲型结构中的销键来承受 由面外电动力产生的倾覆力矩．此外装置总体结构设计中，作为 极向场系统的支撑结构，纵场线圈盒及其外侧环向锲型支撑设 计为筋板加强箱式结构．纵场线圈的垂直高度为3．634m，径向 宽度为2．6092m，环向宽度为0．3474m．线圈盒体采用低温下 高强度的不锈钢316IN板材焊接而成，整个纵场超导磁体结构 系统的重量(包括极向场系统)通过其重力支撑结构将重力传递 到外真空杜瓦上，并通过相应的结构传递到地面上． HT一7U纵场超导线圈采用 CICC(cable-in—conduitconduc— tor)导体[3]，导体的尺寸为2O．4mmX20．4mm．为了有效利用 纵场线圈的截面面积，同时也要保证超导磁体的稳定性能，将纵 场绕组的截面设计为 130匝阶梯形绕组，其截面尺寸为254．7 图1 纵场超导磁体结构 Fig,．1 ToroidalField(TF) mmX287．4mm(含厚度为8mm对地绝缘层)，纵场绕组绕制