低温与超导第39卷 第1期超导技术 Superconductivity C ryo .&Supercond . V o.l 39 N o .1收稿日期:2010-09-20作者简介:刘勃(1985-),在读博士,研究方向:ITER 超导导体测试与分析。

I T ER 超导磁体线圈电磁分析刘勃,武玉(中科院等离子体物理研究所,合肥230031)摘要:I TER 装置CS 线圈、PF 线圈、T F 线圈是ITER 装置超导磁体系统的重要组成部分。

电磁性能是超导磁体重要的方面,在研制时对各个线圈的电磁分析是十分重要的。

文中通过PRO /E 建立模型用Ansy s 软件,对ITER 导体的线圈在其最大工作电流下进行有限元分析,分析的模型分别为:只有CS 线圈与PF 线圈二维模型;单独TF 线圈三维模型;所有线圈的三维模型。

关键词:I TER ;超导;A nsys ;有限元;CICCE lectro m agnetic ana l y sis of superconducting m agnet coils ITERL i u Bo ,W u Y u(Instit ute o f P l as m a Physics ,Chinese A cade m y of Sc i ences ,H e fe i 230031,Ch i na)Abstrac t :Central So leno i d (CS),P o l o i da l F ield (PF )and T oro i dal F i e l d (TF )co ils w ere i m po rtant components o f I TER superconduc ting m agnetic syste m.E lectromagneti c prope rties we re an i m portant aspect of superconducti ng m agnets ,so it was very i m portant to ana l yse the e l ectro m agnetic when deve l op ment o f each coi.l In t h i s paper we used PRO /E to buil d mode l and usedAN-S Y S to ana l yse t he I T E R conductor o f the coil a t its m ax i m u m operati ng current .The analysism odel were respecti ve l y t wo -d i m en -si ona lm odel of only CS and PF coi,l separate t hree-d i m ensiona lmodel of TF co il and a ll t hree-di m ensiona lmodel of t he coi.lK eyword s :I TER,Superconductor ,F i n ite E le m ent ,C ICC1 引言国际热核聚变试验堆是正在进行的一个国际大科学工程,目的是建造一个可自持燃烧的超导托卡马克聚变实验堆,以便对未来聚变反应堆和商用聚变堆的物理问题和工程问题做深入的探索。

装置主要由超导磁体系统、外真空杜瓦、内外冷屏、真空室及其内部部件和磁体馈线系统等部件组成。

其中超导磁体系统包括6个极向场磁体线圈(PF),18个纵向场磁体线圈(TF),1个中心磁体螺线管线圈(CS)和18个校正场线圈(CC )。

极向场磁体线圈产生极向磁场,来控制等离子体的位置和形状;纵向场磁体线圈产生纵向磁场来约束等离子体的运动;中心螺线管产生垂直磁场,激发并加热等离子体;校正场线圈用于补偿各种误差引起的磁场分布误差[1,2]。

I TER 大型超导磁体的场强、储能大,对磁体的结构、制造工艺等都提出了较高的要求。

由于电磁性能是超导磁体很重要的一个方面,所以我们需要了解不同的磁体的工作环境是十分必要的,这是基于物理目标的需要提供准确的电磁参数,开展电磁分析是具体结构设计和分析的基础。

2 分析软件简介2.1 Ansys 软件ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国AN -SYS 开发,它能与多数CAD 软件接口,实现数据的共享和交换,如Pr o /Eng i n eer 、NASTRAN 、I -DE AS 、AutoCAD 等,是现代产品设计中的高级CAD 工具之一。

Ansys 以M axw ell 方程组作为电磁分析为为出发点,有限元方法计算的未知量主要是磁位和电位。

其他的诸如磁场磁通密度、电流密度、能量、力、损耗、电感和电容主要可以由这些自由度导出[3]。

本文将用Ansys软件来对CS,TF,PF导体进行电磁分析。

2.2PRO/E软件Pro/Eng i n eer操作软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。

Pro/Eng i n eer软件以参数化著称,是参数化技术的最早应用者,在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位,Pro/Engineer作为当今世界机械C AD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广[4]。

PRO/E软件与Ansys软件有数据交换的接口,本文的模型都是在PRO/E中建立集合几何模型,然后将模型导入到Ansys软件中进行分析,此方法保证建立模型的准确性和方便性。

本文将运用PRO/E软件对PF、CS、TF导体进行单独建模和整体建模。

3I TER超导磁体系统介绍I TER磁体全部采用C I CC导体结构,超临界氦迫流冷却,单根导体承载电流在40)68kA之间。

主要有纵场系统(TF)、极向场系统(PF)及中心螺管系统(CS)等。

3.1CS线圈CS线圈是由Nb3Sn股线基的管内电缆导体(C I CC)绕成,它由各自单独供电的6个线圈叠装CS线圈PF线圈T F线圈图1I TER线圈的结构示意图F i g.1I TER co il struct ure diag ra m而成。

以便于控制内部等离子体形状[5]。

叠装的强度能够承受各种运行情况下的电动力。

线圈是6层结构,单个线圈的最大的工作电流21.9MA[1]。

3.2PF线圈PF导体系统由6个不同尺寸的独立线圈组成,所有绕饼采用NbT i的CI CC导体绕成。

6个PF线圈(PF1-PF6)被安装到TF线圈上。

根据文献[1]的内容确定PF1-PF6线圈的最大的通电电流分别为11.21MA,4.35MA,8. 33MA,7.61MA,9.9MA,19.13MA。

3.3TF线圈每一个TF线圈由5个主双饼和2个侧双饼组成,且每个双饼由Nb3Sn基超导股线与纯铜线混合扭绞而成,股线装配在绕在一个敞口的中心螺线管上的多级电缆。

电缆和螺线管插入一个不锈钢套管。

TF线圈的最大工作电流为9.1MA[1]。

I TER各个线圈的结构示意图如图1所示。

4I TER磁体系统的电磁分析4.1CS和PF线圈的电磁分析CS和PF线圈结构为圆形对称,产生的电磁场在线圈的任意竖直截面上是相同的,而对于截面上的电磁场是对称的,由于磁体系统是由多个超导磁体线圈组成,因此计算截面的1/2区域即可。

假设大圆外面已经没有电磁场,把小圆与大圆之间的区域可看成是远场区域,即里面的磁场较小。

计算的实体模型如图所示计算中选用的单元类型为P lane53模拟近场空气和线圈模型,划分网格时由于磁体内部的电磁分布对超导磁体系统的影响较大,可细化超导线圈区域模型,划分的网格密度均匀一致,离线圈较远的区域,磁场的强度较低,网格密度也可由密到疏。

图2为CS和PF线圈二维模型图与网格划分后的图形。

加载边界条件和施加励磁载荷:由于磁体模型为轴对称模型,在磁体对称轴上施加平行边界条件;在各个超导线圈线圈模型上施加磁体的各图2CS和PF二维模型图与网格划分F ig.2CS and PF t w o-d i m ensi onal m ode l d i agra m andmesh自电流密度载荷。

通过静态磁场计算求解,得出电磁计算结果如图3所示。

图3CS和PF磁场分布图和线圈上的磁场分布F i g.3T he m agnetic fi e ld d i str i bution on CS and PF co il在不考虑TF 线圈影响的计算结果可以看出,在CS 线圈与PF 线圈在各自运行最大电流的情况下,CS 线圈上最大的磁场为14.758T,由于CS 线圈是由Nb 3Sn 组成,其上临界磁场为20T 左右,所以CS 线圈在最大磁场情况下仍能正常运行;PF 线圈中最大的磁场在PF6中,磁场为8.8T ,其次为PF1线圈,最大磁场6.652T ,PF2-PF5的磁场为低场环境,最大磁场在3)5T 之间,从计算结果中可以看出,PF6线圈在极限的运行环境下比较危险,需要引起我们的注意。

4.2 单个TF 线圈的电磁分析由于TF 线圈不是轴对称图形,所以我们选取三维模型来分析,模型是在PRO /E 软件中建立,然后导入Ansys 中进行分析,PRO /E 建立的TF 单个导体的模型如图4所示。

图4 PRO /E 建立的单个TF 线圈模型F ig .4PRO /E model for the establi shment o f a si ng le TF co il由于整个TF 超导磁体系统共有18个线圈,并且排列很有规律,每个线圈间隔为20e ,因此采用耦合循环对称模型选取20e 一段来模拟18个TF 磁体线圈,图5为耦合循环对称模型的1个图5 单个TF 分析模型和施加耦合循环载荷后的网格图F ig .5 TF m ode l and i m pose a si ng le coupli ng gr i d m ap afterthe cy cli c l o ad i ngTF 线圈,外部有空气区和远场区。

单元采用So-l i d 97单元来进行分析。

为了能够施加耦合循环对称条件在划分单元时可以借助辅助划分单元M esh200单元来划分,M esh 单元仅仅是用来划分网格的单元,与计算结果没有影响。

图5为施加耦合循环对称条件网格划分完成的后的效果图。

通过施加边界条件与电流密度,得到在TF 线圈上的磁场分布如图6所示。

图6 TF 线圈上的磁场分布F i g .6 M agne ti c fi e l d distributi on on t he TF co il从结果可以看出,在只考虑给TF 线圈通最大电流时,最大的磁场发生在TF 导体的直线段上,最高场为9.146T,符合磁场分布的实际情况[6]。