BEPCⅡ SCQ、SSM超導(dǎo)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(xué)工程的建設(shè)，大型超導(dǎo)磁體在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。而超導(dǎo)磁體大都運(yùn)行在約4.5K(-269℃)的液氦溫區(qū)，這又促進(jìn)了低溫技術(shù)的發(fā)展。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程(BEPCⅡ)將新增加3種超導(dǎo)設(shè)備，即1對(duì)超導(dǎo)四極磁體(SCQ)、1個(gè)超導(dǎo)螺線管磁體(SSM)和1對(duì)超導(dǎo)加速腔(SRF)。相應(yīng)的需要建設(shè)一套制冷量為1kW/4.5K的大型氦低溫系統(tǒng)，保證超導(dǎo)設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。超導(dǎo)設(shè)備及低溫系統(tǒng)性能的

2、優(yōu)劣將直接影響著將來對(duì)撞機(jī)運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)基本物理參數(shù)，甚至直接關(guān)系到整個(gè)裝置改造的成敗。所以在進(jìn)行超導(dǎo)設(shè)備及低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮超導(dǎo)設(shè)備在低溫下的工作特性以及各種運(yùn)行模式。本文以BEPCⅡ中關(guān)鍵部件SCQ、SSM超導(dǎo)磁體為主要研究對(duì)象，研究了超導(dǎo)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(zhì)的流動(dòng)特性、傳熱機(jī)理，磁體的冷卻結(jié)構(gòu)、電磁與機(jī)械性能等。目的是為超導(dǎo)磁體在低溫下安全可靠的工作提供設(shè)計(jì)保障和理論依據(jù)。
　　本

3、文首先用計(jì)算流體力學(xué)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(fù)荷，計(jì)算結(jié)果得到美國(guó)BNL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。同時(shí)，還對(duì)磁體軸向和徑向支撐計(jì)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(shè)計(jì)中4管冷卻方案。模擬冷卻氦流在SCQ磁體通道中的流動(dòng)情況，比較了超臨界氦流和過冷氦流這兩種冷卻方式對(duì)流道中熱點(diǎn)溫度的影響，為該磁體冷卻方式的確定提供了依據(jù)。
　　應(yīng)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(yīng)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(jì)算的磁場(chǎng)力得到美國(guó)BNL實(shí)驗(yàn)室計(jì)算結(jié)果以及中科院高能所(IHEP)采用OPERA-2D程序計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證。在得到磁場(chǎng)力同時(shí)，得出了此時(shí)磁力線的分布。
　　SCQ、SSM磁體在降溫和升溫過程中，進(jìn)出磁體的氦流溫度、壓力值是隨時(shí)間非線

5、性變化的，數(shù)值模擬時(shí)單獨(dú)考慮磁體較難確定邊界條件。針對(duì)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(shí)考慮低溫系統(tǒng)中傳輸管線、流量計(jì)和低溫調(diào)節(jié)閥門的壓降作用，此時(shí)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(jì)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(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，90米長(zhǎng)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(duì)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(jì)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(shí)間?？疾炝舜朋w上最高溫度、最低溫度以及最大溫差隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，得到磁體上最大溫差出現(xiàn)的時(shí)間，并分析產(chǎn)生這一情況的內(nèi)部因素。同時(shí)考察了降溫、升溫過程，磁體低溫系統(tǒng)中氦流壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系，討論了保證磁體安全運(yùn)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(hù)研究的

7、關(guān)鍵性參數(shù)。給出了以鋁為穩(wěn)定化基材的超導(dǎo)復(fù)合導(dǎo)體繞制的磁體失超傳播速度理論公式的推導(dǎo)過程，并根據(jù)SSM磁體的具體尺寸、材料參數(shù)，計(jì)算得到該磁體在運(yùn)行電流下的失超傳播速度值。推導(dǎo)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(jì)算失超傳播速度的程序。該程序能考察各種不同運(yùn)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(shí)能考察渦電流對(duì)加速失超傳播的影響。
　　數(shù)值求解SSM超導(dǎo)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(yùn)行電流、不同傳播速度以及不同保護(hù)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(yùn)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(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榇蟮碾妷簱舸┐朋w或由于大的溫差而毀壞磁體。失超傳播速度對(duì)磁體上最大溫差和電壓的影響較大，應(yīng)采取在線圈內(nèi)層的環(huán)氧樹脂外布置鋁帶，在線圈表面布置加熱器等對(duì)磁體保護(hù)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