ITER PF6线圈关键部件TAIL结构优化设计与性能研究

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。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外可控热核聚变研究现状

1．3 国际热核聚变实验堆(ITER)概述

1．4 ITER极向场超导线圈概述

1．5 本课题研究的目的和主要内容

1．5．1 论文研究的目的

1．5．2 论文研究的主要内容

第2章 PF6 Tail结构优化设计分析

2．1 引言

2．2 PF6 Tail结构优化设计

2．2．1 Tail初始结构概念设计介绍

2．2．2 Tail结构优化设计方案介绍

2．3 PF6 Tail电磁载荷研究

2．3．1 有限元分析方法

2．3．2 Tail电磁计算基本原理

2．3．3 Tail静电磁有限元计算模型与网格

2．3．4 定义载荷和边界条件

2．3．5 Tail静电磁分析计算结果

2．4 本章小结

第3章 PF6 Tail异形焊缝焊接工艺与疲劳性能研究

3．1 引言

3．2 Tail异形焊缝焊接工艺设计分析

3．2．1 焊接材料选择

3．2．2 焊接坡口优化设计

3．2．3 焊接顺序研究

3．2．4 焊接工艺参数研究

3．2．5 焊接质量分析

3．3 Tail异形焊缝焊接工装设计分析

3．3．1 焊接工装设计要求

3．3．2 异形焊缝焊接工装结构设计

3．4 附工装焊接质量检测与分析

3．4．1 附工装焊接温度及变形分析

3．4．2 附工装焊接质量检测与分析

3．5 Tail异形焊缝低温疲劳性能基本理论分析

3．5．1 疲劳裂纹萌生机理分析

3．5．2 疲劳裂纹的扩展规律分析

3．6 Tail异形焊缝低温疲劳性能实验研究

3．6．1 低温疲劳测试平台介绍

3．6．2 异形焊缝低温疲劳实验研究

3．7 本章小结

第4章 PF6 Tail关键部件绝缘系带设计研究

4．1 引言

4．2 绝缘系带结构设计分析

4．2．1 绝缘系带结构设计

4．2．2 绝缘系带质量分析

4．3 绝缘系带复合材料成分分析

4．4 绝缘系带热胀系数分析研究

4．4．1 热胀系数测试理论分析

4．4．2 热胀系数测试装置平台介绍

4．4．3 热胀系数实验研究

4．5 绝缘系带弹性模量分析研究

4．5．1 弹性模量理论分析

4．5．2 弹性模量实验研究

4．6．1 低温疲劳实验准备

4．6．2 低温疲劳实验结果分析

4．7 本章小结

5．1 引言

5．2 Tail绝缘电学性能分析

5．2．1 直流耐压测试要求

5．2．2 交流耐压测试要求

5．3 Tail绝缘样件结构设计

5．3．1 绝缘样件结构设计

5．3．2 绝缘样件关键工艺研究

5．4 Tail绝缘样件低温疲劳实验研究

5．4．1 低温疲劳实验准备

5．4．2 低温疲劳测试结果分析

5．5 Tail绝缘样件电学性能实验研究

5．5．1 交直流高压测试系统

5．5．2 绝缘样件电学性能测试结果分析

5．5．3 绝缘样件切片50倍目视检测

5．6 本章小结

第6章 PF6双饼线圈DDP和DP9 Tail研制

6．1 引言

6．2 DDP与DP9 Tail装配与绝缘处理工艺研究

6．2．1 Tail绝缘包绕结构

6．2．2 Tail装配与绝缘处理工艺方案

6．2．3 PF6 DP Tail绝缘固化分析

6．3 DDP与DP9 Tail绝缘电学性能测试

6．3．1 DDP Tail绝缘电学性能测试结果分析

6．3．2 DP9 Tail绝缘电学性能测试结果分析

6．4 本章小结

第7章 全文总结与工作展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果