1. 引言

国际热核聚变反应堆(ITER)是目前中国政府参与的最大的国际合作项目，其目的是验证未来聚变反应堆工程的可行性和可靠性，为人类开发及和平利用聚变能获取清洁能源提供重要的工程和物理实验平台。ITER 项目的科学目标是实现氘氚反应、聚变增益 Q>10、获取 500 秒以上的稳态的高约束模式的燃烧等离子体。ITER 项目的成功将为未来商业聚变反应堆提供重要的工程经验和科学基础。

ITER 磁体包括 6 个中心螺线管圈、18 个纵场线圈、6 个极向场线圈、18 个校正场线圈。其中纵场线圈运行在稳态模式下，中心螺线管线圈和极向场线运行在脉冲模式下。校正场线圈用来补偿由于线圈安装误差、纵场线圈非对称性引起的误差场。中心螺线管线圈和极向场线圈用来产生和控制等离子体，纵场线圈用来约束高温等离子体。ITER 线圈运行在较大的电流以及较高的磁场下，运行在高电流下的 ITER 线圈具有较大的储能。高磁场将引起较大的电磁力和应力，较高的储能常常也为磁体的失超保护提出了苛刻的要求。

本文将对 ITER 线圈最为重要的参数之一-线圈电磁场采用 OPERA3D 电磁仿真软件分析计算。电磁场的计算结果可为分析线圈应力及相关的失超?；ぬ峁┲匾幕　?/span>

2. ITER 磁体系统介绍

ITER 磁体系统由 6 个中心螺管线圈、18 个纵场线圈、 6 个极向场线圈、18 个校正场线圈组成，所有线圈均由管内电缆导体绕制。其中中心螺管线圈和极向场线圈是由带有中心冷却通道的内圆外方型导体绕制。纵场线圈由圆导管绕制；校正场线圈由方形导体绕制。采用中心冷却通道的目的是缓解导体内氦的流通阻力。中心螺线管圈和纵场线圈采用铌三锡超导体，极向场线圈和校正场线圈采用铌钛超导体。铌三锡管内电缆导体采用 316LN 不锈钢材料作为铠甲，而铌钛管内电缆导体采用 316L 不锈钢材料作为铠甲。图 1 给出了 ITER磁体系统总体分布。

图 1 ITER 磁体系统主要部件。

ITER TF 线圈由 18 个 D 型线圈组成，共包括 7 饼134匝；其中内部 5 个双饼，外侧 2 个双饼，如图 2 和图 3 所示。ITER TF 线圈的总重量大约 300 吨，线圈的总长度约为 17000 米。ITER TF 线圈的最大工作电流为 68 KA，ITER TF 线圈在最大工作电流 68 KA 下将产生最大磁场为11.8 T，在等离子体中心处将产生 5.3 T，如图 4 所示。图5 给出了 ITER TF 线圈在赤道面上的磁场分布。ITER TF线圈的总电感为 17.7 H，如表 1 所示[7]。在 68 KA 的工作电流下 ITER TF 线圈的总储能为 41 GJ。ITER 18 个 TF 线圈间存在相互作用的吸引力，每个线圈的向心力约为 400MN。此外每个线圈内部也存在相互作用的电磁力，在赤道面上下两部分线圈间的垂直力约为 200 MN。

图 2 ITER TF 线圈结构示意图。

图 3 ITER TF 线圈截面结构图。

表 1 ITER TF 线圈的电感(单位：特斯拉)

图 4 ITER TF 线圈的磁场分布。

图 5 ITER TF 线圈赤道面上的磁场分布。

3. ITER TF 线圈的故障态下的电磁场分析

ITER TF 线圈在运行过程中可能发生失超保护故障以及线圈绝缘短路。在这两种情况下 ITER TF 线圈间将产生不对称的磁场分布及产生不对称的电磁力[8-9]。ITER TF线圈故障不仅会破坏线圈结构的完整性，同时较大的不平衡电磁力也将对线圈的支撑结构及绝缘产生破坏从而引起一系列的连锁反应。这里我们仅对两种情况下的不对称电磁场分布进行分析。

3.1 ITER TF 线圈绝缘短路

线圈绝缘短路将在其他相邻线圈间产生一定的感应电流及产生不对称的磁场分布和不平衡的电磁力。表 2 给出了 ITER TF 线圈系统线圈对之间的互感。这里对几种线圈短路情况下的故障态电流进行分析，分别为 1）一个线圈短路；2）2 个线圈短路；3）3 个连续线圈短路；及 4）4个线圈线圈短路。表 3 给出了线圈短路电流的计算结果。分析结果表明 1 个线圈短路下线圈的短路电流最大。因而，我们仅对1个线圈短路下的线圈电磁场进行分析。图 6 给出了ITER TF线圈在线圈短路故障态下的磁场分布。图7给出了沿赤道面上的磁场分布。结果表明，在这种状况下线圈的最高磁场高达 13.939 T。

图 6 ITER TF 线圈的磁场分布(线圈短路情况下)。

图 7 ITER TF 线圈赤道面上的磁场分布(线圈短路情况下)。

表 2 给出了 ITER TF 线圈系统线圈对之间的互感。

3.1 ITER TF 线圈失超?；す收?/span>

ITER TF 线圈失超?；げ捎昧礁鱿呷σ蛔椋獠坎⒘颇艿缱璧姆绞浇兄鞫；?。线圈失超故障后，失超线圈将不能及时将能量转移到外部移能电阻上。在这种情况下，失超线圈将在自身的电阻上耗散能量，而其他线圈将由于电磁感应将产生一定大小的感应电流。由于线圈自身电阻较小，因而失超线圈将需要较长的时间才能将自身的电阻耗散尽[10]。因而，在这种情况下，可以假定其他线圈的电流保持不变。图 8 给出了 ITER TF 线圈在失超?；す收舷碌拇懦》植?图 9 给出了赤道面上线圈的磁场分布。在失超?；す收咸?，ITER TF 线圈最高场为 11.7 T。

图 8 ITER TF 线圈的磁场分布(线圈短路情况下)。

图 9 ITER TF 线圈赤道面上的磁场分布(线圈失超?；す收?。

资料来源：达索官方