1 前言

  国际热核聚变实验堆（International Thermal-nuclear Experimental Reactor，简称ITER）是正在进行的一项大型国际合作项目，其目标是建造一个可自持燃烧的托卡马克聚变实验堆，以验证热核聚变反应堆的工程可行性，并对实际应用核聚变能时所需的各种要素进行试验[1]。超导磁体系统是整个装置的关键部件之一，而磁体馈线系统是超导磁体系统的重要部分，包括杜瓦内部馈线、过渡馈线（Cryostat Feedthrough，CF）、线圈终端盒（Coil Terminal Boxes，CTB）等。

  作为磁体馈线系统的主要组成，磁体过渡馈线系统（Cryostat Feedthrough，CF）由外部壳体、内部超导电流传输线（Busbar）、冷却管路和诊断电缆等组成（见图1），是磁体进行供电、冷却、诊断等的主要通道。因此，磁体过渡馈线系统的合理设计直接关系到整个超导磁体系统的正常运行。

图1  磁体过渡馈线系统

  2 过渡馈线系统的设计与分析  

  2.1 外部壳体

  CF的外部壳体对内部各组件起支撑保护作用，其结构的设计受到大杜瓦周围空间布局的限制。外部壳体属于室温部件，包括直线段和容纳S形弯曲的盒体部分。考虑到地震载荷会引起S弯盒和CTB相对杜瓦的移动，所以直线段设计波纹管段，以满足S弯盒和CTB固定的要求，波纹管厚3mm，3个波节，长约180mm，其它部分采用直径850mm的圆管。S弯盒设计成长4.3m，宽1.3m，高1.5m的长方体以满足总高不超过2m的要求，表面设计辅助加强框架，框架高约150mm。为减小电磁力，壳体材料均采用304不锈钢。室温（20°C）时，304不锈钢的材料特性为：弹性模量为195GPa，泊松比0.247，密度7900kg/m3，许用强度197MPa。

  过渡馈线穿过杜瓦壁，与CTB相连，其内部与杜瓦直接相通，所以磁体正常运行时，壳体内部为杜瓦真空，这时壳体主要承受0.1MPa的内外压差和地震载荷作用。采用ANSYS有限元分析软件分别对两种载荷的作用效果进行分析。当外部壳体承受0.1MPa作用时，直线段最大变形量为0.0504mm ,最大等效应力为25.9MPa。S弯盒的最大变形量为2.976mm ，最大等效应力102.99MPa（见图2）。

  根据法国Cadarache的地震谱[2]，利用ANSYS分析软件对S弯盒进行模态分析和地震分析，获得的固有频率见表1，最大应力和位移结果见表2。可以看出，尽管地震载荷在X方向的作用最为剧烈，但仍远远小于静载对S弯盒的作用，说明S弯盒与地震载荷没有发生共振。因此，地震载荷的作用可以忽略。

表1   S弯盒固有频率

表2   S弯盒在地震载荷作用下的最大应力和最大位移

  2.2 CF冷屏

  在CF外部壳体和超导Busbar、冷却管之间设计80K低温屏蔽层的结构，目的是屏蔽来自外部壳体的热辐射，减少对4.5K温区的热负荷。采用双层不锈钢板作为屏蔽板，并对双层板表面进行多层绝热箔层处理[3]。冷却管位于双层板之间，呈蛇形布置，起辅助加强作用。冷屏及其辅助部件采用304L不锈钢（UNS S30403）和玻璃环氧复合材料，如G10等。

  不同温区物体之间的辐射传热近似公式为[4]：
                        （1）
  式中，Q为热流量（单位：W）， F1、F2为热、冷壁表面积，T1、T2为热、冷壁温度，ε1、ε2为热、冷壁表面辐射系数，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，取值为5.67W/(m2•K4)。

  经计算，CF外壳内表面积F1约为54.07m2，冷屏表面积F2约为50.7m2。材料表面辐射系数由材料的种类、表面加工工艺及表面温度、表面结霜或结露情况决定。304不锈钢室温时的辐射系数约为0.08，80K时辐射系数为0.02。多层绝热箔层为铝箔，80K时辐射系数为0.018。银镀层80K时辐射系数为0.083。将上面的数值代入公式（1），计算出辐射热量约为12.8W。

   2.3 超导busbar

  超导Busbar是保证超导磁体正常工作的电流通道，采用4.5K超临界氦冷却的NbTi管内电缆超导体（Cable-in-Conduit Conductor，简称CICC导体）。CICC导体的结构特点是采用绞缆工艺把超导股线制成在空间充分易位的多级子缆，中间有螺旋状半开的不锈钢管，一并装入不锈钢套管中，超临界氦流过中心冷却管的同时进入股线之间的间隙，使超导股线得以充分冷却。CICC超导导体具有冷却周界大、超导稳定性好、自支撑结构强、绝缘工艺性好等特点。

  为提高稳定性，超导Busbar导体设计了双绝缘（内绝缘厚：6mm和外绝缘厚：2mm）用于短路保护。双绝缘层间有0.2mm厚的金属屏蔽板，导体最外层是1mm厚的外屏蔽钢板，作为操作时的机械保护和安装时静电屏蔽的接地保护[5]。

  为使超导Busbar之间的磁场作用均布且能相互抵消，超导Busbar成对布置，一进一出，间距大约为165mm，中间用20mm厚度不锈钢板隔开，在直线段内成对Busbar和不锈钢隔离板外设计10mm厚的保护管，故障发生时用于保护外壳不受损坏。

  为便于装配，在直线段内和S弯盒相连附近的Busbar上，设计中间接头。

  考虑到超导Busbar工作过程中受到电磁载荷和降温、升温过程中的热应力、相连磁体末端位移量等的影响，所以除设计空间布局所必须的弯曲外，还设计了专门用于吸纳这些位移量的双S弯结构。

  超导Busbar是一种层状复合材料结构，根据传统复合材料理论和损伤力学理论[6]求得超导busbar导体的等效材料参数为：弹性模量为60.93GPa，泊松比0.2279，密度5160kg/m3，极限应力647.5MPa。

  利用ANSYS有限元分析软件分别对热应力、电磁力、电磁＋热应力进行分析，为使结果更符合实际情况，把超导Busbar作为一个整体来建模分析，也就是说，包括了内部馈线和CTB内部的超导Busbar部分。单元类型采用SOLID45，温度载荷为300K--4.5K，电磁力为7644N/m。约束情况：直线段约束径向位移，弯曲段约束侧向位移。侧向位移的约束主要是平衡电磁力。         

  从热、电磁、热＋电磁三种分析的结果（见图3）来看，超导busbar的最大变形部位均位于S形弯曲段，最大应力小于极限应力（计算得到），且裕度很大，因此现有形式的结构设计能完全满足设计要求。

a.热分析

b.电磁分析

c.电磁+热

图3   Busbar应力分布云图（Von mises）

  2.4 冷却管

  冷却管内冷质主要是4.5K的液氦，所以采用无缝管。为减小与超导busbar之间的电磁力，材料主要采用304低温无磁不锈钢。与超导Busbar类似，冷却管在降温和升温过程中也存在应力和变形，同样需要设置弯曲段来吸纳位移量，但不同的是，冷却管不受电磁载荷作用，所以在冷却管位于S弯盒内部的弯曲段采用一段易变形且耐低温材料的软管来代替不锈钢冷却管。

  根据ITER馈线设计规范[5] 提供的冷却管尺寸计算公式（2）得到不同磁体的冷却管径。                              （2）

  其中，流程阻力系数： 

   
            
  雷诺数：         

  式中，p——压力；x——冷却管长度；Dh——水力直径； ——质量流速；A——流量面积； ——氦气密度； ——动力粘度；Pe—湿周

  根据大于计算值的最相近标准管尺寸选择管径的原则，参考ANSI标准，纵场馈线系统的冷却管径为38.9mm，极向场为57mm，壁厚为3.3mm。

  2.5 辅助支撑

   超导Busbar的S弯段设计如图4所示支撑结构，主要用于平衡由电磁力产生的侧向位移，同时要保证超导Busbar的S弯段能沿轴向、垂直方向自由收缩，所以辅助支撑结构采用槽形结构，材料为304不锈钢，在与Busbar可能接触的部位表面覆一层低摩擦系数、低热导率、低电导率的材料，如G10。辅助支撑结构与Busbar的中间隔离板和S弯盒的顶、底板分别采用不同型号的螺栓连接，与S弯盒两侧板之间采用具有一定挠度的钢丝绳连接，用于吸纳地震载荷等引起的侧向位移。

图4   辅助支撑结构

  3 结构优化

  3.1 S弯盒表面增加横向筋板

  结构优化后的S弯盒模型见图5。

图5  增加横向筋板后的S弯盒

  对结构和壁厚进行优化后，再利用ANSYS 软件进行静力分析，得到的结果见表4。

表4  不同壁厚S弯盒的分析结果

  从上述结果可以看出，通过增加横向筋板，S弯盒承受的等效应力和位移明显减小，远小于材料的许用值。在增加横向筋板的基础上，同时对结构壁厚进行优化，选用Case4尺寸的S弯盒，它在承受0.1MPa的内外压差时完全能够满足材料的要求，因厚度是初始设计值的二分之一，基本达到了节材降低成本的目的。

  优化后，结构的固有频率会发生一定变化，采用ANSYS分析软件对其进行模态分析和地震分析，结果表明：结构的固有频率虽然发生改变（60～95Hz），但地震载荷对结构的影响很小，可以忽略。

  3.2 S弯盒表面局部加焊L型加强板

  S弯盒是由规则的长方形板焊接而成。从Case1~Case4的分析结果可以看到应力集中点或最大应力都发生在板与板的连接部位。为提高强度，按照S弯盒的设计形式，可以在局部易出现最大应力的连接部位加焊L型板，增加局部厚度，从而达到提高强度，降低应力的目的。

  3.3 简化超导busbar的结构——减少S形弯曲结构

  从对超导busbar的热应力、电磁分析、热＋电磁分析的结果可知，最大应力均小于极限应力（计算得到），且余量很大，因此现有结构形式的设计完全满足设计要求。从简单的角度，应考虑简化结构，主要是较少S形弯曲的设计，例如可以采用1.5个S形代替2个S形。

  4 结论

  通过上述分析及优化，可得出如下结论：

  (1) 现有的磁体过渡馈线系统的结构设计完全满足设计要求。

  (2) 通过对现有结构进行优化，如增设横向筋板、L型加强板，简化超导busbar的弯曲结构等，可以达到节约材料、降低成本的目的。

  (3) 超导busbar分析时采用的材料特性是在复合材料经典理论与损伤理论的基础上计算得到的，这些参数需要通过试验得到进一步的确认。

  参考文献

[1] R.Aymar. Status of ITER. Fusion Engineering and Design [J], 2002, 61-62：5~12.
[2] Summary of Seismic Analyses of Tokamak Building in the Candidate Sites：N-S, E-W, Vertical direction included. G73 MD 61 03-10-10 W 0.1[DB/CD]. ITER international team：2001.
[3] Thermal Shield Design TA NO: N 22 SP 8 02-05-24 W 0.3[DB/CD]. 2002
[4] 俞佐平, 陆煜编著. 传热学（第3版）[M]. 北京：高等教育出版社, 1995. 31～41
[5] ITER Design Documents，Detailed Description and Specifications of ITER Feeders[DB/CD]. 2003
[6] 杨光松编著. 损伤力学与复合材料损伤[M]. 北京：国防工业出版社, 1995