ITER中線圈終端盒(CTB)是連接超導磁體系統(tǒng)與外圍系統(tǒng)的重要通道，內(nèi)部設置了不同壓力低溫管路，提供系統(tǒng)的低溫環(huán)境。本文主要研究了冷屏氦氣管路的泄漏過程，依據(jù)氣體動力學、流體力學及氣體射流動力學理論，推演出高壓低溫氣體的泄漏質(zhì)量流率公式。應用FLUENT建立了管路氦氣泄漏模型，提出了研究低溫氦氣泄漏的數(shù)值模擬方法，計算不同壓力氦氣在3s內(nèi)的瞬態(tài)泄漏量，得到氦氣瞬態(tài)泄漏速度分布、壓力曲線和溫度曲線。數(shù)值模擬泄漏量與理論公式計算泄漏量的平均誤差很小，可為系統(tǒng)診斷氦泄漏提供依據(jù)。

　　線圈終端盒作為國際熱核聚變實驗堆(ITER)超導饋線系統(tǒng)的重要組成部分，其結構如圖1所示，內(nèi)部包括電流引線、冷屏、低溫管路和控制閥等組件。其中電流引線主要實現(xiàn)低溫超導母線和室溫電源的連接；冷卻管路及其控制閥完成對冷氦氣的輸送與控制，從而實現(xiàn)對電流引線、冷屏等組件的冷卻；冷屏是設置在室溫殼體和低溫部件之間，用來減少來自線圈終端盒高溫區(qū)對低溫部件的熱輻射，保證線圈終端盒內(nèi)低溫部件的正常工作。但冷屏冷卻管道在長時間工作周期內(nèi)會存在泄漏隱患，甚至會出現(xiàn)斷裂極端情況，造成冷屏功能喪失和線圈終端盒壓力急劇升高，進而引起超導電纜失超和容器破壞等惡劣后果。

　　文章針對冷屏冷卻管道破裂氦氣泄漏極端情況，基于氣體動力學及流體力學理論近似給出高壓低溫氣體的泄漏公式，并利用計算流體力學軟件FLUENT數(shù)值模擬不同工況下氦氣的泄漏過程，對冷氦氣的泄漏規(guī)律進行了探討。

圖1 線圈終端盒結構圖

1、數(shù)值模擬

　　1.1、冷屏結構

　　線圈終端盒的冷屏結構如圖2所示，主要由冷卻管路和冷屏殼體兩部分組成，冷屏殼體固定在不銹鋼管材焊接的骨架上，冷卻管道采用外方內(nèi)圓截面的管道結構(圖3)，蛇形串聯(lián)排列于冷屏殼體上，管路和冷屏殼體均選用1050鋁合金材料。假設冷卻管路某段發(fā)生泄漏，其管道破損情況如圖3所示，在管道表面形成一條長度9mm、寬度2mm的貫穿裂紋。

圖2 冷屏機構圖

圖3 冷屏管道結構及泄漏裂口

結論

　　屏和線圈終端盒的安全運行是ITER裝置正常工作的重要保證，本文針對冷屏運行過程中可能發(fā)生的管路泄漏情況，建立數(shù)學模型對密閉空間瞬態(tài)氦氣泄漏過程的泄漏量、速度、壓力和溫度變化規(guī)律進行研究，得到以下結論:

　　(1)推演出高壓低溫氣體的泄漏質(zhì)量流率公式，得到1.8MPa冷屏管路的泄漏量理論結果與數(shù)值結果相對誤差僅7.5%，且氣體泄漏量可作為超導饋線系統(tǒng)冷卻管路泄漏診斷的重要參數(shù)指標之一；

　　(2)冷屏冷卻管路破裂氣體泄漏過程的高速射流引起了管道壓力的急劇下降并且也會直接破壞線圈終端盒內(nèi)真空環(huán)境，甚至造成線圈終端盒結構破壞，即導致低溫超導線圈失超；

　　(3)數(shù)值模擬方法得到冷屏管路氦氣泄漏擴散規(guī)律，也可以為超導饋線低溫管路超臨界氦泄漏分析提供參考。