BEPCⅡ SCQ、SSM超導磁體系統(tǒng)低溫工作特性研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代粒子加速器、可控核聚變裝置等大科學工程的建設，大型超導磁體在世界范圍內得到了廣泛應用。而超導磁體大都運行在約4.5K(-269℃)的液氦溫區(qū)，這又促進了低溫技術的發(fā)展。北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCⅡ)將新增加3種超導設備，即1對超導四極磁體(SCQ)、1個超導螺線管磁體(SSM)和1對超導加速腔(SRF)。相應的需要建設一套制冷量為1kW/4.5K的大型氦低溫系統(tǒng)，保證超導設備的長期穩(wěn)定運行。超導設備及低溫系統(tǒng)性能的

2、優(yōu)劣將直接影響著將來對撞機運行時各項基本物理參數(shù)，甚至直接關系到整個裝置改造的成敗。所以在進行超導設備及低溫系統(tǒng)設計時，要充分考慮超導設備在低溫下的工作特性以及各種運行模式。本文以BEPCⅡ中關鍵部件SCQ、SSM超導磁體為主要研究對象，研究了超導磁體在低溫下的穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)工作特性中的若干問題，包括冷卻介質的流動特性、傳熱機理，磁體的冷卻結構、電磁與機械性能等。目的是為超導磁體在低溫下安全可靠的工作提供設計保障和理論依據(jù)。
　　本

3、文首先用計算流體力學軟件FLUENT數(shù)值模擬SCQ磁體低溫恒溫器的溫度分布情況，得到該磁體的熱負荷，計算結果得到美國BNL國家實驗室提供數(shù)據(jù)的驗證。同時，還對磁體軸向和徑向支撐計算了變物性下的漏熱情況。模擬了SCQ磁體冷屏上的溫度分布，提出8管冷卻方案來取代原設計中4管冷卻方案。模擬冷卻氦流在SCQ磁體通道中的流動情況，比較了超臨界氦流和過冷氦流這兩種冷卻方式對流道中熱點溫度的影響，為該磁體冷卻方式的確定提供了依據(jù)。
　　應用有限

4、元軟件ANSYS數(shù)值模擬SSM磁體的支撐漏熱情況，并用FLUENT模擬了SSM磁體和冷屏上溫度分布，為冷卻管線選擇合理的布置方式。應用ANSYS模擬了SCQ磁體中的反螺線管線圈在SSM磁體中的受力情況，計算的磁場力得到美國BNL實驗室計算結果以及中科院高能所(IHEP)采用OPERA-2D程序計算結果的驗證。在得到磁場力同時，得出了此時磁力線的分布。
　　SCQ、SSM磁體在降溫和升溫過程中，進出磁體的氦流溫度、壓力值是隨時間非線

5、性變化的，數(shù)值模擬時單獨考慮磁體較難確定邊界條件。針對這一情況，本文采用將磁體和低溫系統(tǒng)綜合考慮的思路，同時考慮低溫系統(tǒng)中傳輸管線、流量計和低溫調節(jié)閥門的壓降作用，此時磁體和低溫系統(tǒng)互為邊界條件。采用有限差分方法離散方程，編制通用計算程序，數(shù)值求解了SCQ磁體及低溫系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)、非線性控制方程。
　　SSM磁體的冷卻結構十分復雜，90米長的冷卻管線蜿蜒24道彎焊接在磁體支撐筒體的外表面。本文對SSM磁體采用有限體積離散，冷卻管線則采

6、用有限差分法離散，編制通用計算程序，數(shù)值求解了SSM磁體降溫和升溫過程。通過求解得到了SCQ和SSM磁體從300K到4.5K的降溫，從4.5K到300K的升溫時間?？疾炝舜朋w上最高溫度、最低溫度以及最大溫差隨時間的變化趨勢，得到磁體上最大溫差出現(xiàn)的時間，并分析產(chǎn)生這一情況的內部因素。同時考察了降溫、升溫過程，磁體低溫系統(tǒng)中氦流壓力隨時間的變化關系，討論了保證磁體安全運行所需要采取的措施。
　　失超傳播速度是失超過程及失超保護研究的

7、關鍵性參數(shù)。給出了以鋁為穩(wěn)定化基材的超導復合導體繞制的磁體失超傳播速度理論公式的推導過程，并根據(jù)SSM磁體的具體尺寸、材料參數(shù)，計算得到該磁體在運行電流下的失超傳播速度值。推導了考慮渦電流變化的SSM磁體失超軸向傳播熱平衡方程，開發(fā)了計算失超傳播速度的程序。該程序能考察各種不同運行參數(shù)，不同初始條件和邊界條件下的失超傳播過程，得到磁體上的溫度分布，同時能考察渦電流對加速失超傳播的影響。
　　數(shù)值求解SSM超導磁體失超的非線性、非穩(wěn)

8、態(tài)控制方程。考察了不同失超位置、不同運行電流、不同傳播速度以及不同保護電阻情況下，磁體失超后最大溫度及磁體上電壓的變化。磁體在正常電流下運行(I=3000A)，即使發(fā)生泄能電阻短路的最壞情況，磁體也能安全運行，不會出現(xiàn)因為大的電壓擊穿磁體或由于大的溫差而毀壞磁體。失超傳播速度對磁體上最大溫差和電壓的影響較大，應采取在線圈內層的環(huán)氧樹脂外布置鋁帶，在線圈表面布置加熱器等對磁體保護具有積極意義的措施。分析了磁體由于渦電流損耗而產(chǎn)生Quenc