ITER校正场线圈的结构分析Word下载.docx

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阐述了ITER校正场线圈的结构及其支撑设计。

运用有限元法，对正常运行状态下的线圈进行电磁分析，据此对线圈进行了结构分析，对支撑的位置进行优化分析。

初步论证了校正场系统结构的安全可靠性。

关键词：

有限元分析；

ITER；

校正场线圈；

电磁；

结构

中图分类号：

TL62+2文献标识码：

A

1引言

ITER是一项研究热核聚变的国际合作的大规模科学工程[1]，以开展聚变能研究，为将来人类能够运用这种干净、丰富的能源提供工程技术与物理参数为目的。

其包括超导磁体系统、真空室、冷屏、外真空杜瓦等一系列主要部件以及电流引线、低温致冷系统、电源系统等一系列附属部件。

超导磁体系统作为ITER的核心部件之一，包括超导纵场（TF系统、超导极向场（PF系统、超导中心螺管（CS系统以及超导校正场（CC系统，其中校正场系统的作用是补偿ITER内部由于线圈安装误差、制造误差、变形误差以及其它误差引起的磁场分布误差。

在强磁约束的情况下，ITER内部的等离子体将经过击穿、平顶到熄灭的一系列循环状态变化过程，而在这样一个循环变化过程中，PF线圈及CS线圈上的电流也会随着等离子体状态的变化而变化，这就将导致校正场线圈上的磁场强度发生变化，进而影响到校正场线圈的结构强度。

因此，需要选取其磁场强度最大的时刻进行相应的分析，确保安全可靠。

本文先对校正场线圈进行电磁分析，得到其在磁场强度最大时刻的电磁载荷，然后应用此电磁载

荷进行下一步的结构分析，

并对线圈的支撑布局进

行了优化分析。

2结构与支撑设计

2.1结构设计

ITER校正场系统共有18个线圈，其中顶线圈（TCC6个、边线圈（SCC6个以及底线圈（BCC6个，都在整个超导磁体系统中成圆形阵列分布，如图1所示。

图1TF、PF、CS、CC线圈的整体分布图

校正场线圈主要包括内部的超导绕组、中间的绝缘层以及最外的不锈钢线圈盒三部分。

其中内部的超导绕组是由一定数量的外表裹有绝缘材料的CICC导体以行列的形式密排在线圈盒里（其中TCC为8×

4，SCC为4×

5，BCC为8×

4，经环氧真空压力浸渍后形成，而CICC导体则是由超导股线（NbTi线与具有良好柔韧性及强度的导电金属（Cu多级

第3期曾文彬等：

ITER校正场线圈的结构分析265

绞制，穿入316LN不锈钢方管中形成[3]，从线圈截面上可见，每个相邻的CICC导体间都夹有一层很薄的匝间绝缘及层间绝缘；

中间的绝缘层是在每两个0.25mm厚的薄玻璃丝布中夹一0.05mm厚的聚酰亚胺膜堆叠包夹至8mm厚然后压制而成[3]；

最外的不锈钢线圈盒则是采用双L型结构，通过焊接密封形成。

图2为BCC结构、支撑及截面图；

图3为SCC结构、支撑及截面图。

图2BCC结构、支撑及截面图（TCC类似[2]

图3SCC结构、支撑及截面图[2]

校正场线圈中TCC与BCC结构一致，都采用60º

扇形结构，并在线圈盒内弧上布置有2个减少涡流的绝缘法兰，在外弧上设有接线区，装配时，法兰以螺栓固定，在接合处以焊接密封，并在绝缘层与焊缝之间放置保护片（材料G11。

而SCC采用的是40º

瓦片状结构，并在线圈盒上弧和下弧上各布置1个绝缘法兰，接线区设置在下弧。

2.2支撑设计

校正场线圈的支撑所用材料都为316LN不锈

钢，主要采用夹钳形式，并以螺栓连接。

其中TCC和BCC共有8个支撑，在外弧及内弧上各自分布有3个支撑，两侧则各有1个支撑，其侧面支撑通过与相邻线圈的侧面支撑相连然后一起固定在TF线圈盒上，而外弧及内弧上的支撑则是通过直接连接到TF线圈盒上以固定；

SCC共有17个支撑，在上弧上分布有5个支撑，下弧上分布有4个支撑，两侧则各有4个支撑，其所有的支撑都是通过直接连接到TF线圈盒上以固定。

由于线圈主要受ITER强磁场引起的电磁力作用，因此，支撑的分布位置应该尽可能同线圈上的磁场强度（电磁力分布相适应，即支撑应尽量布置在电磁力较大的地方。

3结构分析

3.1电磁分析

由于磁体系统的磁场是由通电的超导线圈产生，因此只需要选取线圈内部的超导绕组代表整个线圈进行建模并进行电磁分析，又因为校正场线圈处在整个超导磁体系统中，TF线圈、PF线圈、CS线圈以及等离子体都对它的磁场分布产生影响，因此，就需要建立所有线圈模型，但整体模型过大，不便于分网计算，不过由于超导磁体系统是完全的圆周对称，故可以选用1/6对称模型来进行分析以减小运算时间，如图4所示，其中PF线圈与CS线圈都由6个线圈组成，而CS线圈从顶部开始依次为：

CS3U、CS2U、CS1U、CS1L、CS2L、CS3L。

图41/6对称分析模型

由于在一个循环周期内，等离子体电流、PF线圈电流及CS线圈电流一直在变化，从而导致整

266

核聚变与等离子体物理第29卷

个系统的磁场也不断发生变化，因此，首先需要确定校正场系统各个线圈上最大磁场强度产生的时刻，然后再进行电磁分析。

经过分析，发现BCC上的磁场受PF5线圈、PF6线圈的电流影响最大，TCC上的磁场受PF1线圈、PF2线圈的电流影响最大，SCC上的磁场受PF3线圈、PF4线圈的电流影响最大。

取BCC为例，在等离子体的平顶状态临近结束时，PF5线圈及PF6线圈上的电流在BCC上产生的磁场强度最大，因此，此时BCC上的磁场强度也应该最大。

运用有限元分析软件ANSYS，加载此时系统中各个线圈的电流值（列于表1、表2、表3中，采用节点法进行BCC的电磁分析。

表1CS线圈的匝数及每匝电流[4]

线圈

CS3UCS2UCS1UCS1LCS2LCS3L

匝数553553553553553553电流/

kA·

匝−1

−7.951−25.136−44.805−44.805−29.9936.091

表2PF线圈的匝数及每匝电流[4]

PF1PF2PF3PF4PF5PF6

匝数248.6115.2185.9169.9216.8429.4

电流/

21.05−34.403−31.824−26.488−51.54944.825

表3TF线圈、CC线圈及等离子体的匝数及每匝电流

线圈TFTCCSCCBCC

等离子体匝数1343220321电流/kA·

68.13410101016947

注：

表1、表2、表3中的电流都取逆时针方向为正，并且所有线

圈都是在4K的低温环境中运行。

此次分析总共形成223,901个单元和50,535个节点，在图5中给出了BCC磁场强度分布云图，在图6中给出了BCC电磁力分布云图。

图5BCC磁场强度分布云图

图6BCC电磁力分布云图

从图5和图6中可以看出，BCC的最大磁场强度出现在线圈内弧上，其值约为4.13T，最大电磁力出现在线圈外弧上，其值约为36.41kN，磁场强度最大处与电磁力最大处不对应。

根据线圈电磁力的积分计算公式ddLSJS=×

∫∫FlB（其中J为线圈的电流密度，S为线圈的截面积，L为线圈的长度，B为磁场强度矢量，dl为线圈沿电流方向的微小长度矢量，并查看磁场强度矢量图得知，在BCC上，虽然内弧处磁场强度大，但是dl与B的夹角相对稍小，也即dl×

B稍小，因此其电磁力也要稍小，而在外弧上dl与B的夹角相对要大，所以其上的电磁力也就大。

同样，发现在等离子体进入平顶状态后一段时间，PF3线圈及PF4线圈上的电流在SCC上产生的磁场强度最大，因此，此时SCC上的磁场强度也应该达到最大；

而在等离子体的平顶状态结束时，PF1线圈及PF2线圈上的电流在TCC上产生的磁场强度最大，因此，此时TCC上的磁场强度也应该达到最大。

图7为SCC磁场强度分布云图，图8为TCC磁场强度分布云图。

图7SCC磁场强度分布云图

ITER校正场线圈的结构分析267

图8TCC磁场强度分布云图

从图7和图8中看出，SCC的最大磁场强度出现在直线段上，约为2.864T，TCC上最大磁场强度出现在线圈外弧上，约为2.043T，与BCC相比，SCC、TCC上的最大磁场强度明显要小得多，相应的电磁力也就小得多。

由于TCC与BCC结构完全一致，支撑也是毫无差别，因此，只需要选取BCC与SCC进行结构分析，当BCC安全可靠时，也就可以保证TCC绝对地安全可靠。

3.2结构分析

校正场线圈在正常运行时，不仅要受到较大的电磁力作用，还要受到液氦温度下由材料收缩引起的内应力、热应力等作用，因而对线圈各部分的机械强度有较高的要求。

但内应力、热应力等属于内力，相对于电磁力来说，电磁力对线圈的影响更大，所以本文主要针对电磁力对线圈进行结构分析。

由于校正场线圈主要由超导绕组、绝缘层及不锈钢盒组成，因此结构分析时，就需要选取超导绕组、绝缘层、线圈盒及支撑进行建模计算。

由于超导绕组是由NbTi线、铜、316LN不锈钢以及绝缘等材料复合而成，因此在结构分析之前，需要通过有限元数值分析方法对超导绕组进行等效处理，得到其在4K下的等效整体材料特性，列于表4中。

另外，根据ITER资料，得到绝缘层（复合材料及线圈盒/支撑（316LN在4K下的材料特性，如表5所示。

首先，取BCC，利用ANSYS对其进行结构分析，建立单个BCC结构模型及其支撑模型，采用SOLID45实体单元进行有限元分网，共形成4584个单元及5618个节点，并以电磁分析得到的电磁载荷作为结构分析的载荷，定义线圈盒上的8个支

撑的约束（由于支撑采用的是316LN不锈钢材料，因此，属于刚性体，故根据支撑实际固定情况施加支撑面上的全约束进行计算，得到BCC结构分析变形及应力云图，如图9所示。

同理，建立单个SCC结构模型及其支撑模型，并进行有限元分网，共形成3616个单元及4675个节点，导入电磁载荷，定义支撑约束进行计算，得到SCC结构分析变形及应力云图，如图10所示。

表4超导绕组在4K下的等效材料特性

特性

Ex

Ey

Ez

μxy

μyz

μxz

Gxy

Gyz

Gxz

超导绕组22.421.5670.370.100.1128.511.520.4

表5绝缘层、线圈盒在4K下的材料特性[2]

特性ExEyEzμxyμyzμxzGxyGyzGxz绝缘层1220200.330.170.336

6

6线圈盒/支撑

205

0.30.30.378.878.8

78.8

表4、表5中，弹性模量E的单位为GPa、μ为泊松比、剪切

模量G的单位为GPa，x、y为垂直于线圈绕组绕制的方向，z为沿线圈绕组绕制的方向。

图9BCC结构分析变形及应力云图

从图9可以看出，BCC的最大变形出现在外弧上相邻支撑的中间位置处，其值约为3.405mm，整个模型的最大VonMises应力出现在外弧上支撑与线圈盒的交界处，其值约为356MPa。

通过查看整个BCC结构分析的结果可知其绝缘层及超导绕组的最大VonMises应力也都出现在弧上支撑与线圈的交界位置，并且绝缘层上值约为28.5MPa，超导

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绕组上值约为29.1MPa。

从图10可以看出，SCC的最大变形出现在直线段的中间位置处，其值约为3.372mm，整个模型的最大VonMises应力出现在直线段中间支撑与线圈盒的交界处，其值约为336MPa。

通过查看整个SCC结构分析的结果可知其绝缘层及超导绕组的最大VonMises应力也都出现在直线段中间2个支撑与线圈的交界位置，并且绝缘层上值约为30.8MPa，超导绕组上值约为43.8MPa。

BCC的主要变形是内外弧线部分向内凹，并在外弧上略偏向下，在内弧上略偏向上，而SCC的变形则是在左直线段中间处向右凹，且偏向纸内，在右直线段中间处向外凸，且偏向纸外，上部2个圆角向纸外凸起，下部2个圆角向纸内凹进，并且在下弧中间处向纸内凹。

由于316LN不锈钢材料在4K温度下的许用应力是421MPa，屈服极限为800MPa[2]，又根据测试[5],运用于超导磁体绝缘的复合材料低温下的弯曲强度可超过560MPa，拉伸强度沿纤维方向约为615MPa,垂直于纤维方向约为321MPa，而超导绕组由多种材料复合而成，其中的各类材料许用应力都要大于100MPa，因此，分析所得的最大应力均小于材料许用应力，满足工作要求。

图10SCC结构分析变形及应力云图

3.3支撑位置初步优化

由于支撑位置的改变能够引起线圈上应力及

变形的改变，而且从上面的分析结果可知，校正场线圈上的最大应力达到了356MPa，最大变形则达到了3.405mm，应力与变形都有点偏大。

因此，为提高安全可靠性，考虑优化支撑位置，以减小最大应力及变形。

BCC的变形主要出现在内外弧线上相邻支撑之间，因此可考虑将内外弧上的两侧支撑同时向中间的支撑处移动来达到优化目的。

经过优化分析，并考虑法兰与接线区的位置，发现将内弧上左右支撑同时向中间方向移动1.9º

，外弧上左右支撑同时向中间方向移动2º

后将达到较佳效果，如图11所示。

而SCC的大变形主要出现在线圈直线段的中间位置处，因此可考虑减小线圈直线段中间的2个支撑间的距离，来达到优化目的。

经优化分析，发现将这2个支撑的位置同时向直线段中心处移动0.5m，将达到较佳效果，如图12所示。

从图11中可以看出，BCC上最大应力降为278MPa，出现在了内弧上中间支撑与线圈盒的交界处，而整个线圈的变形则降为1.954mm，仍出现在外弧上相邻支撑的中间位置；

从图12中可以看出，SCC上最大应力降为226MPa，仍出项在直线段中间支撑与线圈盒的交界处，而整个线圈的变形则降为1.66mm，也仍出现在直线段的中间位置处。

对比前面支撑未优化前的分析结果，在数值上有了较大的减小，从而提高了安全系数，增加了使用寿命。

因此，使得整个校正场系统更加安全可靠。

图11优化后BCC变形及应力云图

ITER校正场线圈的结构分析269求范围之内，并在不影响整体结构及装配的前提下对线圈的支撑位置进行了优化，从而使其更加安全可靠。

整个分析过程采用了循序渐进的方法，并通过电磁－结构间接耦合来保证结果的连续准确性。

总的来说，本文为校正场系统的后续工作提供了一定的工程设计参考。

参考文献：

[1][2][3]杜钧福.话说ITER—纪念核聚变研究50周年[J].现代物理知识,2008,20（2:

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中科院等离子体物理研究所,2002.MitchellN.Scenariosforcoils,powersupplyandcryoplantanalysis[A].ITERdesigndocuments[C],2008.崔益民.HT-7U超导磁体绝缘结构及其工艺的研究[D].合肥:

中科院等离子体物理研所,2003.秦织.有限元分析在超导磁体设计中的应用[R].合肥:

中科院等离子体物理研究所,2007.曹云露.大型超导Tokomak装置极向场线圈的设计研究[D].合肥:

中科院等离子体物理研究所,2001.[4]图12优化后SCC变形及应力云图[5][6][7]4结束语校正场系统是整个超导磁体系统中不可缺少的一部分，它为ITER装置的稳定运行发挥着重要作用。

本文主要针对校正场系统的各类线圈进行了有限元分析，得到其磁场强度及结构应力，均在要StructureanalysisofcorrectioncoilsforITERZENGWen-bin,WUWei-yue（InstituteofPlasmaPhysics,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031Abstract:

ThemechanicalstructureandsupportdesignofcorrectioncoilsforITERwereintroduced,andthemagneticfieldofcorrectioncoilswasanalyzedwithfiniteelementmethod.Thenthestructurewasanalyzedandthedistributingofthesupportcomponentsisoptimized.Theprimarilyresultsshowedthatthecorrectioncoilsystemisprovedtobereliableandsafe.Keywords:

FEM;

ITER;

Correctioncoils;

Electromagnetic;

Structure