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[博士论文] 张之荣
核能科学与工程 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:极向场线圈(Poloidal Field coil,简称PF coil)是国际受控热核聚变实验堆(简称ITER)重要组成部分,尾段(Tail)是PF线圈关键部件之一,其主要用于将线圈导体出线头和倒数第二匝进行机械固连,并将二者进行电绝缘隔离。从结构和功能的角度来看,尾段需要承受线圈工作时导体传递来的电磁力和冷热收缩的热应力,并经历相应的低温机械疲劳过程,与此同时还需要保证电绝缘要求。本文重点对优化后的尾段结构进行理论和实验研究,主要包括复杂工况下尾段异形焊缝焊接工艺方案与焊缝疲劳性能、关键部件绝缘系带结构设计以及尾段绝缘电学和疲劳性能等关键技术研究。
  完成了PF6线圈尾段初始概念结构优化设计,并对优化后尾段结构进行分析介绍。尾段内部载荷传递路径由概念设计中匝间绝缘和导体粘接优化为更加稳定的机械连接方式。另外,通过有限元分析方法完成了最危险时刻(EOB+PD)线圈尾段静电磁分析。
  优化后的尾段通过焊接的方式将线圈导体出线头和倒数第二匝导体机械固连。按照ITER设计要求,该异形焊缝为全焊透结构,在焊接过程中严格控制焊接变形与超导缆温度,其焊接质量需满足EN ISO5817:2007LevelB。为此,完成了尾段异形焊缝焊接工艺方案研究,并针对PF6线圈尾段复杂的焊接工况,专门设计了一套辅助焊接工装。另外,由于线圈尾段工作时需要承受来自线圈的脉冲式电磁力以及冷热收缩带来的热应力,为此,通过一系列理论和实验分析,完成了尾段异形焊缝低温疲劳性能研究。
  通过尾段中部绝缘系带完成电绝缘隔离并对其进行机械张紧。完成了一种跑道型复合材料绝缘系带结构设计,并通过燃烧方法确认了绝缘系带各关键位置化学成分含量比。另外,由于降温过程中绝缘系带与不锈钢材料热胀系数不同会引起冷收缩程度不同,在尾段内部会产生热应力,通过理论和实验完成了不规则形状绝缘系带热胀系数和弹性模量分析研究,并顺利通过预张紧方式补偿了冷热收缩不同带来的热应力。最后完成了绝缘系带低温疲劳性能实验研究。
  针对PF6超导线圈尾段绝缘设计要求,完成了线圈尾段绝缘包绕工艺方案分析研究和尾段绝缘样件结构设计。之后,完成了尾段绝缘样件低温疲劳性能测试,并对疲劳测试过程中尾段绝缘样件的断裂原因进行分析讨论。此外,搭建电学测试平台,完成了尾段绝缘样件低温疲劳测试前后电学性能研究,结果显示,尾段匝间绝缘在经历了600,000次低温疲劳测试后,顺利通过高达30kV的匝间直流击穿测试。
  基于此前对线圈尾段焊接、绝缘系带以及尾段绝缘等关键工艺技术理论和实验研究,完成PF6两个双饼线圈(预研件DDP和正式生产件DP9)尾段的研制,同时搭建电学测试平台,完成线圈尾段绝缘相关电学性能研究,研究结果均满足ITER设计要求。
  至此,ITER PF6线圈尾段关键技术难题已基本得到解决,第一个量产双饼线圈DP9尾段的生产工作也顺利完成。本文所研究的PF6线圈尾段关键工艺技术将为后续PF6DP1以及PF2-PF5线圈尾段的研制提供了强有力的工艺技术保障。
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