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在国家“十三五”重大科技项目的支持下,一个原型的中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor, CFETR)纵向场(Toroidal Field, TF)线圈已经完成设计,并将在2025年前建成。聚变装置中的超导线圈在运行过程中,只能监测其入口和出口的液氦温度,无法获得线圈内部的温度演化过程。因此为了保证线圈的安全运行,开展热工水力模拟是线圈设计和安全运行的重要部分,图1给出了CFETR TF线圈设计及其冷却通道设计示意图。
图1 CFETRTF线圈设计及其冷却通道设计示意图
本论文首次系统的分析并模拟了CFETR TF线圈在正常运行工况下的热工流体行为。为了验证模拟的准确定,本论文将TF线圈正常运行工况下模拟的结果与国际上著名的4C程序做了校核验证。结果表明,4C模拟的出口温度略高于Gandalf-Fluent模拟的结果,二者相差仅为0.07 K,与线圈设计要求的最小温度裕度1.2 K相比,相对较小,相关对比结果如图2和图3所示。
图10列举了申请人前期关于CFETR TF磁体匝间和层间,以及绕组和线圈盒之间耦合传热不确定性研究的部分成果。
图2 匝间和层间耦合传热系数对绕组温度分布和进出口质量流量演化的影响 |
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图3 匝间和层间耦合传热系数对磁体(绕组+线圈盒)温度分布和进出口质量流量演化的影响 |
需要注意的是,在热工模型中没有考虑低温冷却系统对绕组温升的影响,假设导体边界条件是固定的,以12 g/s的初始质量流量作为边界条件。在初始化过程中,基于给定的入口压力6 bar,计算出口压力,然后在整个模拟过程中保持不变。因此入口和出口质量流量在整个模拟过程随时间趋于稳态,但是入口和出口压力保持不变。
在此基础上,针对CFETR TF磁体匝间和层间耦合传热不确定性开展了初步研究,如图4所示。模拟结果表明,线圈的最小温度裕度会随着匝间和层间耦合参数的增大而减小。
图4 匝间和层间耦合参数对TF线圈最小温度裕度影响
以上研究结论为超导线圈的安全运行有重要指导价值,在一定程度上推动了中国磁约束核聚变的发展。
论文信息
文章链接
该研究成果发表于《Fusion Engineering and Design》,论文第一作者为安徽理工大学碳中和科学与工程学院教师温兴毫。
论文网址:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0920379623006130