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。

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