核聚变装置中高温超导导体的热工流体模拟与实验研究

With the development of fusion reactor design, many organizations in the world have carried out research on the electromagnetics, mechanics, critical parameters and processing technology of high temperature superconducting CICC (HTS-CICC) conductors, but there is little analysis of thermal hydraulic property. In order to fully explore the application possibility of HTS-CICC conductor in fusion devices, thermal hydraulic study of HTS-CICC conductor should be developed. The SAITOKPF code will be updated to analyze the HTS-CICC conductor. The dedicated hydraulic test of dummy conductor will be used to calibrate and validate the new code. The 4C code is also applied to benchmark the updated code. Finally the study of thermal hydraulic, hot spot and temperature margin of HTS-CICC conductor will be carried out by this code and existing experimental data. This work will provide some guidance and reference for the design and optimization of HTS-CICC conductor in future. In addition, it will give some theoretical and experimental foundation for the design construction of superconducting magnets for fusion reactor in China.

随着聚变堆设计的发展，国际各方相继开展了高温超导CICC（HTS-CICC）导体的电磁、力学、临界参数、绕制工艺等的研究，但对热工流体性能的分析还很欠缺。因此为了全面探索HTS-CICC导体在聚变装置中应用的可能性，急需开展高温超导CICC导体热工流体方面的研究。本项目将在SAITOKPF程序中开发模拟HTS-CICC导体的模块，然后对扩展后的SAITOKPF程序，利用专门设计的高温超导dummy导体实验进行校准和验证，同时与国际认可的4C程序进行模拟验证。最后通过此程序结合国际上已有的HTS-CICC导体实验对导体的热工流体行为、热点温度和温度裕度等进行研究，重点探讨HTS-CICC导体中水力行为和换热机理。本项目的开展将为未来HTS-CICC导体的设计和优化提供一定的指导和参考，另外也将为我国未来聚变堆超导磁体的设计与建造奠定一定的理论和实验基础。

随着世界各国相继开展下一代聚变堆和DEMO的设计，对磁约束聚变装置中的磁场提出了更高的要求，高温超导导体逐渐受到聚变界的关注，被认为很有可能在未来聚变堆中得到应用的导体之一。本项目根据高温超导CICC导体的特点，在导体横截面发展了二维热学模型，实现了高温超导导体的模拟。为了适应未来聚变堆磁体设计的需要，在 SAITOKPF程序中，耦合了Maxwell的磁场和二维fluent的TF线圈盒截面的热传导，该程序应用到了CFETR磁体系统的TF线圈设计中。对CFETR运行过程中核热负荷下TF线圈的热工行为进行了详细的研究，发现对未来聚变堆TF磁体的设计，主要应该考虑TF线圈高场侧第一匝导体的热负荷降低，就能提高磁体运行的温度裕度，并给出CFETR在1GW聚变功率运行下，TF线圈的冷却设计，可以达到安全的温度裕度1K，该分析也用意大利的4C程序进行了模拟验证，温度偏差只有0.07K，一致性较好。同时为了降低进入绕组的热负荷，对TF线圈盒的冷却设计进行优化，为线圈绕组额外减少温升0.2K左右。另外利用该程序对CFETR的 TF线圈失超行为，进行了详细研究，给出TF线圈的失超检测电压不应该高于0.1V，才能满足线圈热点温度的要求。在研究过程中，形成的优化方法与发展的程序，将为未来聚变堆超导磁体设计的奠定了一定的理论基础。