2024年5月4日发(作者：)

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低温与超导　

低温技术　

Ｃｒｙｏ．＆Ｓｕｐｅｒｃｏｎ．　

第３４卷第６期　

Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ　

Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．６　

ＩＴＥＲ极向场馈线系统冷屏初步设计　

张远斌　，武松涛　

（１．台肥学院机械系，合肥２３００２２；２．中国科学院等离子体物理研究所，合肥２３００３１）　

摘要：ＩＴＥＲ极向场馈线系统采用冷屏以降低４Ｋ温区低温部件的热负荷。该文对极向场馈线冷屏的初步设计进　

行介绍，并计算了冷屏的热负荷。　

关键词：馈线；冷屏；热负荷　

Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｈｉｅｌｄ　ｆｏｒ　ＩＴＥＲ　ｐｏｌｏｉｄａｌ　ｆｉｅｌｄ　ｆｅｅｄｅｒｓ　ｓｙｓｔｅｍ　

Ｚｈａｎｇ　Ｙｕａｎｂｉｎ　，Ｗｕ　Ｓｏｎｇｔａｏ　

（１．ＭｅｅｈａｎｉｃＭ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｉ４ｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３００２２，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｌａｓｍａ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｔｉｆｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ　２３００３１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩＴＥＲ　Ｐｏｌｏｉｄａｌ　Ｆｉｅｌｄ（ＰＦ）Ｆｅｅｄｅｒｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｏ　ｍｉｎｉｍｉｚｅ　ｈｅａｔ　ｌｏａｄｓ　ｗｈｉｃｈ　ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ　ｆｒｏｍ　ｗｓ￣［Ｔｆｌ　ｐａｒｔｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　

ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｔｈａｔ　ｏｐｅｒａｔｅ　ａｔ　４Ｋ．Ｔｈｅ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｈｉｅｌｄ　ｆｏｒ　ＩＴＥＲ　ＰＦ　Ｆｅｅｄｅ￣ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｈｅａｔ　ｌｏａｄ　ｉｓ　ａｌｓｏ　

ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｅｅｄｅｒｓ，Ｔｈｅｌｍａｌ　ｓｈｉｄｄ，Ｈｅａｔ　ｌｏａｄ　

１　引言　

国际热核聚变实验堆是正在进行的一项大型国际合作项目。作为世界上计划建造最大的核聚变反应堆，　

ＩＴＥＲ的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要素进行试验…。作为磁体系统　

关键部件的极向场馈线系统如图１所示，包括６个独立磁体馈线，每个馈线内部均　

包括超导电流传输线、液氦传输线等４Ｋ低温部件。为了维持低温部件的正常工作，　

需要设计冷屏以减少室温部件对馈线内部低温部件的热辐射，以降低４Ｋ温区的热　

负荷并减小整个系统的漏热，从而降低整个系统的低温运行费用。　

２极向场馈线冷屏设计　

．　．．　．

由于馈线内部的高真空条件（真空度小于１０　ＭＰａ）以及馈线采用一些特殊的　

．　

ｒｌｇ．１　

１Ｔ

ｌｌ也ｔ１．Ｆ　ｔｅｅｏｅｒｓ　ｓｙｓｅｍ　

　场馈　支撑结构，使馈线的固体导热和残余气体导热较小，使得辐射传热成为馈线最主要　

。　热传递方式。根据不同温区物体之间的辐射传热近似公式＿…　２　可知，辐射热与温度　．　．　

的四次方成正比，热壁温度越高，辐射热越大。在３００Ｋ～４Ｋ温区之间设置一道８０Ｋ的热辐射层，可大大降低４Ｋ　

温区的热负荷。　

２．１冷却液选择　

极向场馈线所有直接和室温相连部分都设计有冷屏，冷屏人口温度都是８０Ｋ、１　８ＭＰａ的冷氦气，冷氦气出口　

压力为１．７ＭＰａ，温度上升在２０Ｋ～５０Ｋ之间，室温氦质量流控制在３．５ｋ　ｓ左右。ＩＴＥＲ冷屏的冷却介质之所以　

采用冷氦气而不是通常所采用的液氮，主要是基于以下几点的考虑口ｊ：　

（１）如果液氮泄漏，液氮会冻结在超导线圈上，难以检测到，而且大泄漏也很容易结成危险的冰块；　

（２）考虑到　辐射将有可能在结霜的线圈上产生易爆的臭氧冰块；　

基金项目：国际科技合作重点项目计划（基础研究部分）项目基金（２００４ＣＢ７２０７０４）资助。　

收稿日期：２００６—０８一ｏ２　

作者简介：张远斌（１９７４一），男。博士研究生，主要从事电物理装置设计与分析方面工作。　

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第６期　低温技术　Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ　・４４ｌ・　

（３）还考虑到氮的活化作用，但这个问题并不十分突出；　

（４）热斑会引起液氮小块的沸腾，从而产生压力的峰值；　

（５）使用冷氦气作为冷却介质将能很可靠地从低温中心获得所需的压力、温度和流速。　

２．２冷屏冷却管设计　

冷屏冷却管的尺寸根据其长度确定，以使冷氦气保持正常的压力降０．１ＭＰａ。馈线冷屏冷却管理论计算公式　

为式１　］，并根据式１计算的结果参照标准管道尺寸就近选取较大值。　

血

２　

ｄｘ＝一　

ｆ＝０．０４６×Ｎ／Ｒｅ￣　

厂＝６４／Ｒｅ　

（Ｒｅ＞～２３００）　

（Ｒｅ＜～２３００）　

（１）　

式中：Ｐ为管道流体压力；　为管道长度；　为管道流体平均流速；ＪＤ为管内流体平均密度；Ｄｈ为管道当量直　

径；Ⅳ为管道形状因子，光滑管Ｊ７ｖ取２；Ｒｅ为雷诺数。　

冷却管在双层屏蔽板之间蛇形布置，冷却管间距不大于５００ｒａｍ。为避免焊接时焊穿，冷却管主要选用壁厚　

为２．５ｍｍ的圆管。考虑到方管易于焊接，所以有些地方采用方管，但由于方管不易弯曲，很难贴合在冷屏壁面　

上，因此极向场馈线系统的冷屏大部分采用可靠、方便、价格便宜的厚壁圆管。　

２．３屏蔽板设计　

ＩＴＥＲ磁体冷屏屏蔽板主要采用２ｍｍ厚的不锈钢和０．５ｍｍ厚的铜覆层构成的双金属结构板。这种设计的　

优点在于充分利用了铜的良好的导热性，对冷却管起到了热分流的作用；缺点是由于不锈钢和铜的热收缩和膨胀　

系数不同，易产生双金属效应，导致屏蔽板出现大的变形和应力。此外，由于铜在低温下的电阻很小，为减小涡　

、流，铜覆层结构必须进行电绝缘　］。考虑到馈线内部冷屏结构工作环境相对要简单，为降低成本，馈线冷屏只采　

用双层不锈钢板作为屏蔽板。　

２．４绝热结构设计　

为减少整个馈线的漏热并减少来自室温环境馈线外壳体的热辐射，馈线冷屏外包扎有多层绝热，利用安置的　

多层平行于冷壁的辐射屏（多层金属箔层）间的多次辐射换热，来大幅度减少辐射传热。金属箔层厚度一般在０．　

００５～０．０２　ＩＴＵＴＩ左右。馈线辐射屏选用材料为铝箔，以满足强度和刚度要求。考虑到馈线不同部位空间尺寸以及　

热负荷要求的不同，因此在对馈线冷屏设计中采取了不同厚度的多层绝热设计。　

３冷屏热负荷计算　

为了简化计算，在馈线冷屏综合漏热分析中，假设整个系统处于稳定状态，并且忽略对流换热的影响。多层　

绝热传热过程如图２所示。其中　为外壳体外壁温度（常温），　为外壳体内壁温　

度，　为多层绝热外壁温度，　为多层绝热内壁温度（８ＯＫ）。Ｑ　为外壳体传热量，　

Ｑ　为真空层传热量，Ｑ　为多层绝热传热量。　

３．１外壳体传热　

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４４２・　低温技术　Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ　第６期　

强，为１０～ＭＰａ；Ａ：为平均传热面积（已知）；　、　待求。　

３．２．２真空层的辐射传热　

真空层的辐射传热量可由公式４计算　：　Ｑ，＝ｓ　ｏ－Ａ，（　一　）Ｆｌ一　（４）　

式中：　为有效辐射系数，根据馈线不同部位，分别按照无限长的同心圆筒以及两无限长平行平面公式计　

算；Ｏ－为斯蒂芬一波尔兹曼常数，即５．６６９７×１０　Ｗ／（ｍ　・Ｋ　）；Ａ，为辐射传热面积，近似可取内表面面积（已　

知）；Ｆ　一：为辐射传热角系数，取１；　、　待求。　

３．３多层绝热传热　

因为在多层绝热中传热情况比较复杂，热量通过辐射传热、固体导热及气体导热等几种方式进行，工程中常　

采用有效热导率来处理。馈线多层绝热体中，以辐射、固体传导和气体传导综合方式传递的热流量可由公式５计　

＾　

算　：Ｑ　＝　２（　一　）　（５）　

２　

式中：Ａ。为多层绝热有效热导率（取５～１０×１０　Ｗ／（ｍ・Ｋ））。　为多层绝热厚度（已知）；Ａ　为多层绝热　

计算传热面积（已知）；　待求，　已知（８０Ｋ）。　

３．４综合漏热计算　。　

由传热学理论可知，在稳态传热过程中，传热总量与各层热阻的传热量有以下关系：传热总量＝外壳体传热　

量＝真空层传热量＝多层绝热传热量，即：Ｑ　＝Ｑ　＝Ｑ　（Ｑ　＝Ｑ　＋　）＝Ｑ，　（６）　

联立方程，可计算出极向场馈线冷屏综合漏热Ｑ　为２８．０５Ｗ。　

４结束语　

为了维持低温部件的正常工作，降低４Ｋ温区的热负荷，ＩＴＥＲ极向场馈线系统设计有冷屏。本文对ＩＴＥＲ极　

向场馈线系统的冷屏进行了初步设计，并完成了冷屏热负荷的理论计算，这些工作为下～步极向场馈线系统冷屏　

的具体结构设计提供了参考。　

参考文献　

ｌ　Ａｙｍａｒ　Ｒ．Ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ＩＴＥＲ．Ｆｕｓｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ，２００２，６１～６２：５—１２．　

２俞佐平．传热学（第二版）．北京：高等教育出版社，１９８８．　

３　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｓｈｉｅｌｄ．ＩＴＥＲ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｄｏｃｕｍｅｎｔ，Ｄｏｃｕｍｅｎｔ　Ｎ　２７　ＤＤＤ　６，２００４，９．　

４　Ｙｏｓｈｉｄａ　Ｋ．Ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｐｅｃｉｆｌｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＩＴＥＲ　ｆｅｅｄｅｒｓ．ＩＴＥＲ　ｄｅｓｉｎｇ　ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ，２００３：２—５．　

５达道安．真空设计手册（第一版）．北京：国防工业出版社，１９９１．　

６陈国邦，张鹏．低温绝热与传热技术（第一版）．北京：科学出版社，２００４．　

（上接第４３９页后）　

了分析处理，获得了一些结论：①元损贮存时间和初始充满率是影响低温液体无损贮存压力升高的主要因素，在　

计算时必须考虑；而环境温度是影响压力升高的次要因素，在计算时可以忽略，这仅限于环境温度变化不大的室　

内条件；②拟合得到计算公式可以在很大范围内较为准确地预测容器中低温液体压力的升高，指出多元线性回归　

分析可以应用于低温液体无损贮存时压力升高的预测，该种方法较为简单、可靠。　

参考文献　

１　Ｌｉ　Ｚｈａｏｃｉ，Ｘｕ　Ｌｉｅ，Ｓｕｎ　Ｈｅｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｎｏｎ—ｌｏｓｓ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｆｏｒ　ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ　ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ　ｇａｓ．Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ

，

２００４，　

４４（５）：３５７—３６２．　

２彭长清．误差与回归．北京：兵器工业出版社，１９９１：３１６—３１９．　

３沙定国．实用误差理论与数据处理．北京：北京理工大学出版社，１９９３：１６３—１６８．