国际热核聚变实验堆用管内电缆导体力学行为研究进展

国际热核聚变实验堆(international thermonuclear experimental reactor,ITER)是目前全球最大、影响最深远的国际科技合作项目之一.该计划旨在验证磁约束受控核聚变反应堆的工程技术可行性,通过由管内电缆导体(cable in conduit conductor,CICC)绕制而成的托克马克(Tokamak)装置产生强磁场,将上亿摄氏度的高温等离子体约束在磁笼内诱发可控热核聚变.2014年ITER组织磁体部门负责人Devred A教授指出当前ITER用CICC主要面临3大挑战:(1)CICC制备过程中普遍存在电缆穿管退扭问题,伴随着电缆节距增加引起交流损耗的增大,这将严重影响CICC电流输运特性及稳定性.(2)CICC短样在热-电磁循环载荷作用下分流温度随循环加载次数的增加表现出退化行为,这就意味着按照目前设计方式,ITER仅能运行数千次,远低于原计划的3万次,这加剧了人们对ITER工程的担忧.(3)高性能超导股线研发与接头制备.ITER托克马克装置中,其中心螺线管和环向场线圈由Nb_3Sn超导股线经多级绞扭而成的CICC绕制而成,最大磁场分别可达13和11.8 T,伴随的巨大电磁力往往使磁体结构发生变形,进而影响高温等离子体的流动品质,降低热核聚变的反应时间,导致ITER装置的功能性设计难以达到预期.同时,已有的研究表明Nb3Sn材料超导性能(主要是指临界电流)对力学变形极为敏感,在拉、压、扭作用下临界电流随变形表现出显著的衰减行为,该行为直接增加了ITER托克马克的安全性隐患.因此,研究超导电缆的等效力学参数及其在多场作用下的力学行为是实现托克马克磁体系统安全性与功能性设计的基石.本文简要总结了兰州大学力学系电磁固体力学研究小组针对超导电缆等效力学参数、穿管过程中的电缆退扭行为、热-电磁静载荷作用下的超导股线屈曲行为以及热-电磁循环载荷作用下的分流温度退化等关键科学问题所开展的基础理论建模与定量分析.在此基础上,对当前CICC研究存在的问题和未来仍需重点关注的方向进行了讨论,其结果将有助于我国力学工作者迅速了解ITER计划进展中所遇到的相关力学问题,也可为未来中国大型超导磁体制备所需的CICC导体结构设计提供参考.