磁约束聚变能源具有安全、经济和环境友好的优点，是未来理想的战略能源，可为“双碳”目标的实现做出重大贡献。磁约束聚变是利用磁场将氘和氚燃料以等离子体的形式约束并发生聚变反应, 被认为有希望彻底解决人类的能源问题，也是我国核能发展的长远目标。中国聚变工程试验堆（CFETR）是中国自主开发和设计的下一代聚变装置，旨在弥补ITER和未来聚变堆之间的差距，如图1所示。

聚变装置中的大型超导线圈在运行过程中，只能监测其入口和出口的氦温度，无法获得线圈内部的温度演化过程，因此开展热工水力模拟是线圈设计和安全运行的重要部分。随着CFETR超导磁体建造的推进，目前已有的一维热工分析程序 GANDALF 不能满足研究的需要，而国际上已经发展相对成熟的三维热工流体分析程序无法通过购买获得，因此迫切需要开展相关方向的研究。基于此，利用已有的一维热工分析程序，结合有限元分析软件，提出了一种新的途径（Gandalf-Fluent）实现了对CFETR TF线圈的三维热工流体分析，发展了具有自主知识产权的准三维热工流体分析程序，如图2所示。

具体的实现方法是，绕组采用简化的一维热工流体计算模型，线圈盒的热负荷通过Fluent软件做二维有限元分析，通过参数化建模开发了用于加速CFETR TF磁体冷却通道设计和热工分析的物理-热工耦合分析程序Gandalf-Fluent。为了验证模型的准确性，与国际上著名的4C程序做了校核，相关评估结果表明，在相同的热工参数和核热负荷输入条件下，二者计算的磁体最小温度裕度仅相差 0.07 K（要求误差小于0.1 K），验证了Gandalf-Fluent程序的准确性。

基于建立的三维热工流体分析程序模型，研究者完成了TF 线圈的失超分析，如图3所示。失超分析中发现，失超检测电压越大，线圈的失超热点温度越高。原因是当设置较高的失超检测电压后，失超检测系统需要更长的等待时间才能做出判断，并开始泄放电流，而这将使得失超后的线圈在高电流下运行更长的时间，并产生更多的焦耳热。同时，失超检测电压的选择对线圈低磁场处的失超热点温度有明显的影响，而对高磁场处的失超热点温度影响相对较小。当失超检测电压选择为0.5 V时，磁场最低处的失超热点温度超过了设计要求的250 K。因此当选择较高失超检测电压时，低磁场侧的失超热点温度也值得关注。

以上研究结论对超导线圈失超检测系统的建造与运行有重要指导意义，在一定程度上推动了中国磁约束核聚变的发展。