ITER极向场线圈氦进管优化设计与关键制造技术研究
国际热核聚变实验堆(ITER)计划是人类可控核聚变能和平开发利用的国际合作典范，目前该项目已经全面进入加工制造阶段。PF6磁体是ITER项目中负责调整等离子体位形，重量达350吨(含线圈支撑)，线圈中心线直径Dc为8694mm截面径向尺寸为1564.1mm，轴向尺寸为1111.2mm，为ITER PF线圈截面尺寸最大，质量最重的一个线圈。2013年由中科院等离子体物理研究所竟标获胜，承担ITER PF6线圈研制工作。氦进管为磁体的关键部件之一，是超导磁体低温保证的入口，本文在ITER PF6线圈研制合同的支持下，围绕关键部件氦进管开展结构设计和优化，氦进管加工制造及焊接工艺，氦进管集成装配等问题开展研究，具体工作主要分为以下几方面: 1.针对承受最大载荷的PF5氦进管，采用子模型的分析设计方法，对长跑道型和短跑道型的两种氦进管结构进行了结构设计和优化。结果表明，优化焊缝倒角尺寸及氦孔尺寸的短跑道型氦进管结构强度和疲劳寿命优于长跑道型氦进管。对两种氮进管结构采用常温N2进行了局部压损测试，测试结果表明:长跑道型氦进管相当于1m长导体产生的压损，短跑道氦进管相当于2.7m长导体产生的压损的结论，长跑道型氦管局部压损略优于短跑道型氦进管，结合氦进管的加工制造和在线检测难易度，最终确定短跑道型氦进管作为PF氦进管设计方案。 2.根据断裂力学，针对PF导体和氦进管开展了初始缺陷的疲劳裂纹扩展分析研究。通过研究可知PF铠甲应力强度因子幅度工作在10MPa·mo0.5到46MPa·mo0.5，对应的da/dN介于3E-9m/cycle到6E-7m/cycle之间。根据ITER提供的5种材料疲劳参数C和m值，通过分析研究获得:不同的C和m值，铠甲上可允许初始裂纹尺寸a0最小为5.2mm2，最大为15.8mm2。残余应力对允许初始裂纹尺寸大小有较大影响，在疲劳裂纹扩展分析时，不能忽略平均应力的影响。对于不同的C和m材料模型，PF6氦进管氦孔区(铠甲上)可允许初始裂纹尺寸a0最小约l mm2，可允许初始裂纹最大尺寸a0略大于4mm2。 3.搭建了氦进管自动TIG焊接系统，采用多层多道分段断续焊工艺，对氦进管坡口结构和局部细节结构进行优化，使其满足自动焊接方案，焊接时对超导缆侧的温度场进行了监测，测得超导线缆表面的最高峰值温度为240℃，低于250℃的设计温度要求。对采用优化焊接工艺参数的焊接样件，进行了宏观检测，焊缝未出现裂纹，未熔合以及根部内凹等缺陷的产生，证明了焊接接头结构和焊接工艺参数的合理性。通过微观组织检测，PF6氦进管焊缝的凝固模式为全奥氏体，焊缝组织由单一的奥氏体相组成，未见铁素体和第二相脆性相析出，且焊缝组织形态由大量的胞状晶和柱状晶组成，证明了自动TIG焊接工艺参数及氦进管接头结构型式的合理性。 4.针对采用优化后的焊接工艺参数样品进行性能研究。开发了适用于氦进管焊缝100％体积型缺陷探伤的无损检测工艺，通过对氦进管样品进行射线探伤检测和工业CT检测，两测试结果完全相符，证明了射线检测工艺满足氦进管焊缝的质量检测工艺要求。设计了适用于PF6氦进管焊缝线上气密性检测工装，5次冷热循环后，检测PF6氦进管焊缝的实际漏率仅为4.6×10-11Pa·m3·s-1，显著低于部件1.0×10-9Pa·m3·s-1漏率要求。对PF6氦进管焊接接头进行低温疲劳测试，首件氦进管焊接接头疲劳测试发生断裂，起裂位置位于氦进管孔内壁根部。通过优化氦孔清根工艺，新测试样品的疲劳寿命大于ITER要求的60万次，且疲劳测试后的焊缝最大漏率仅为3.3×10-10Pa·m3·s-1，表明优化后的焊接工艺得到的焊接接头完全满足低温条件下的服役性能要求。 5.针对PF6线圈绕制生产线各部件开展了试验测试研究，包括:放送筒，校直校正设备，喷砂设备，回转平台以及弯绕头。采用PF6空管进行了试验测试，为PF6双饼线圈的绕制奠定良好基础，也为氦进管的集成装配提供了前提条件。PF线圈绕制后，导体存在塑性变形产生残余应力，该残余应力对导体和氦孔的疲劳寿命以及疲劳裂纹扩展有非常大影响。通过理论解析的方法计算了PF导体的塑性残余应力，为导体疲劳寿命评估提供数据支持。最后系统的对PF6氦进管的在线集成开展研究，为PF6线圈集成和总装奠定良好的基础和技术储备。 本论文研究结果成功解决了PF氦进管的结构设计和适用于自动TIG焊接的氦进管结构及自动焊接工艺技术瓶颈问题，已成功应用到PF6超导线圈上。并且针对氦进管自动焊接工艺技术，欧盟已引入到PF2-PF5氦进管的制造当中。PF6线圈于2020年运达ITER总部，并通过ITER组织的现场高压、低温循坏等性能测试，充分证明了氦进管等系列关键制造工艺高可靠性。本文工作可为未来核聚变工程实验堆CFETR的氦进管设计、制造及大型结构部件的疲劳裂纹扩展的损伤容限分析计算提供技术支持。
热核聚变实验堆;线圈;氦进管;优化设计;疲劳寿命
中国科学技术大学
博士
核能科学与工程
宋云涛;卫靖
2021
中文
TL622
2022-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）