ITER 校正场线圈氦进出管的设计及低温疲劳试验

马强

摘要：校正场线圈的超导导体需要在低温下才能实现超导，为了提供足够低的温度，导体内要通有迫流氦。氦管是液氦进出导体的必要通道，本文对氦管结构进行了设计，并在77K低温条件下对氦管进行低温疲劳试验。

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.

关键词：氦管;液氮;低温;疲劳

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

0  引言

国际热核聚变实验堆ITER[1-5]是目前全球规模最大，影响最深远的国际合作项目之一。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克装置，用于进行热核聚变的可行性研究，将解决由理论实验通向聚变电站的关键性问题。

1  校正场的介绍

ITER 校正场超导磁体系统（以下简称CC）[6]主要用来补偿由于制造公差、接头、引线、母线及装配公差造成的纵场和极向场线圈和绕组位形偏离所带来的磁场误差。因为任何加工和组装都要求给出合理的公差，诸如超导导体接头和电流引线等都必然带来装置实际与设计计算的偏差，这些公差和偏差就会引起装置磁场的误差。这些误差需要认真对待，尽可能消除或者减少影响。

校正场超导磁体系统由上（Top）、侧（Side）、下（Bottom）三组线圈构成，每组6个，共18个线圈。每一个上、下线圈呈60度扇形，横跨3个纵场线圈;每一个侧线圈布置在径向占位40度，横跨2个纵场线圈。所有超导磁体均采用NbTi材料的CICC超导导体，导体尺寸为19.2mm。校正场磁体系统的布局图如1所示。

2  氦进出管的设计

CC线圈的超导导体需要低温才能实现超导，为了达到低温条件，导体内要通有迫流氦。CC线圈采用的是单线饼绕的结构，如果只在导体的两端一进一出输送液氦，流阻将会很大，导致压力大;并且液氦冷却的进出温差大。因此液氦的流通采用多进多出的多通道方式。这就需要在超导体上的相应位置剥开导体铠甲焊接上氦进出管来形成多通道。B/TCC的液氦流通方式是4进5出，如图1所示。SCC的液氦流通方式是2进3出，如图2所示。

对于B/TCC，液氦从四个氦管入口进入后在线圈导体内形成了八条不同的流通路径，最终从包括两端在内的五个出口流出。以此类推，对于SCC，流通方式由两个入口、四条路径、三个出口构成。

氦进出管的作用是连接CC导体需要流通液氦的进出和低温系统回路。氦进出管的设计采用变截面的形式，以尽可能降低流阻以便获得更好的冷却效果，如图3所示。

氦管跑道段、变截面段、圆管段依次如图4、图5、图6所示。跑道段截面如圆槽状，两端圆外径为11mm，内径为6mm，高度为13.2mm;变截面段是连接跑道和圆管的扁圆形结构，端部圆内径为13.8mm、外径为17.1mm，高度为31.8mm;圆管段是由外径为17.1mm，厚度1.65mm，长度75mm的圆管构成。

3  低温疲劳试验

①试验设备：Instron 8802轴向复合拉扭疲劳试验机（Capacity： load±120kN;Torque： ±1000N·m）;低温引伸计/Nyilas-type Extensometer（CEME）;CryoLab低温系统（4.2～300K）铑铁温度传感器（Temperature sensor），精度±0.1K;温度测试系统（KEITHLEY 2000 MULTIMETER）。

②试验环境：液氮。

③试样如图7所示。

④试验参数：

4  试验结果

77k下十个连续循环的平均峰值负荷如图8所示。

5  结论

在60000次循环之前，没有观察到试样的击穿失效。没有发生断裂，并且经过氦质谱检漏测试后漏率低于1×10-9Pa·L/S，因此可以得出结论氦管样品能够承受60000次的循环疲劳。

参考文献：

[1]Federica Bonomo，Isabella Mario，Dirk Wünderlich， Ursel Fantz. On the vertical uniformity of an ITER-like large beam[J].Fusion Engineering and Design， 2020，  159.

[2]J.Vega， R.Castro， S.Dormido-Canto， G.A.Rattá， M. Ruiz. Automatic recognition of plasma relevant events： Implications for ITER[J]. Fusion Engineering and Design， 2020， 156.

[3]Erwu Niu， Jing Wei， Delong Luo， Kaihui He， Wen Zhao，Yalan Zhu. Qualification of key process for ITER correction coils[J]. Fusion Engineering and Design，  2020， 156.

[4]Yohanes Nietiadi， Catarina Vidal， Raul Luís， Paulo Varela. Thermal analyses of the in-vessel frontends of the ITER plasma position reflectometry system[J]. Fusion Engineering and Design，2020，156.

[5]M. Siccinio， W.Biel， M. Cavedon， E. Fable， G. Federici， F. Janky， H.Lux， F. Maviglia， J. Morris， F. Palermo，O. Sauter， F. Subba， H.Zohm.DEMO physics challenges beyond ITER[J]. Fusion Engineering and Design， 2020.

[6]沈筱剛，刘沛航，王坤，涂正平，廖国俊，秦经刚.ITER校正场导体不锈钢铠甲力学性能研究[J].低温与超导，2016.

[7]方有为，胡献国，杜双松，奚维斌，卫靖，陆坤.EAST PF8线圈氦管结构分析和疲劳试验[J/OL].核聚变与等离子体物理：1-7[2020-06-22].