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《中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)》 2018年
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Taper型超导腔低温恒温器的研制

白峰  
【摘要】:加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System简称ADS)是由加速器、散列靶和次临界反应堆等组成的系统,在有效处理核废料的同时也可以利用核裂变发电,具有很好的经济性和系统安全性,被国际公认为最有前景的核废料嬗变技术途径。中科院近代物理研究所承担的ADS注入器Ⅱ直线加速器主要由离子源(ECR)、低能束流传输线(LEBT)、射频四极加速器(RFQ)、中能束流传输线(MEBT)、超导加速段和高能束流传输线(HEBT)等组成,其中超导加速段由两个HWR010型低温恒温器+Taper型低温恒温器+Spoke型低温恒温器(CM1+CM2+CM3+CM4)共四个低温恒温器组成,所加速的质子束能量可达25MeV。超导直线低温恒温器是一个由超导高频、超导磁体、束诊元件等多种类型的部件组成的复杂系统,由于ADS项目直线加速器超导段尺寸空间和低温系统的限制要求,在为超导元件提供稳定可靠的低温和真空工作环境的同时,各部件不同接口紧凑型装配结构的合理设计和低温恒温器系统热负载的有效优化是Taper型低温恒温器研制的巨大挑战。本文所研制的ADS Taper型超导腔低温恒温器运行温度4.2K,运行压力1.05Bar。论文调研了国内外恒温器的研究现状并结合ADS前期测试恒温器实际运行情况。设计的重点因素是保证低温恒温器超导元件装配准直、降温过程、热负载等方面达到系统要求,并以此为依据完成了恒温器悬吊支撑系统、电流引线、冷却系统、磁屏蔽系统(常温/低温)、冷屏系统、真空室等组件的设计,解决了低温恒温器大尺寸复杂形状的精确加工及超导元件的高精度装配准直、降温过程中各组件温差过大引起的应力集中以及恒温器系统静态漏热过大等技术难题,同时针对低温恒温器多部件系统的装配复杂性总结出了一套高效可靠的恒温器装配流程。论文所研制的低温恒温器已完成现场装配、调试过程,目前处于稳定在线运行状态。Taper型低温恒温器安装运行情况表明,所设计的恒温器大型矩形真空室精度尺寸保持在1mm的误差范围内,超导元件装配准直精度满足物理要求±1mm;恒温器分别实现了77K冷屏降温和4.2K超导元件降温,通过对冷却系统中工质分配管路的优化,实现了各冷质量组件的降温的均匀性,减小了降温过程中由于各组件温差过大引起的应力集中;通过采用热隔断、抽真空和多层绝热相结合的方法,有效减少了恒温器的传导漏热、气体对流换热和辐射漏热量,整个恒温器系统的实测静态热负载较之前大大降低,优化了低温系统以及整个系统的运行成本。2017年6月ADS先导专项25MeV质子直线加速器在国际上第一次实现了超导直线加速器能量25MeV的连续波高功率质子束流,其中Taper型超导腔低温恒温器出口束流能量为18.6MeV。论文工作不仅为ADS先导专项25MeV直线加速器的成功出束提供了可靠保障,而且给后续HIAF、CIADS等国内大科学装置中大型低温恒温器系统的设计积累了宝贵的经验。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TL503

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