核聚变能是一种战略能源,是21世纪的换代能源。但是,受控聚变能的和平利用现在还处于尝试阶段,而国际热核实验反应堆(ITER)计划则是一个由我国与另外六个国家地区共同出资建造的一个长脉冲托卡马克聚变装置的计划,其目标是要建造一个可持续燃烧的托卡马克聚变实验堆以验证聚变反应堆的工程可行性。我国作为此国际合作一个全权独立的成员将可以全面掌握相关的知识和技术及成果,因而大大地加快我国聚变能开发进程。本研究课题直接来源于ITER总部的低温系统设计校核中的相关研究项目(合同号:ITER/CT/08/759),针对ITER磁体系统中的纵向场超导磁体的降温过程,进行了热力学和流体力学分析,工作内容包括:(1)根据降温的设计要求,针对整个低温系统从300 K降温至80 K的过程建立了一个预计算的模型,要求该模型根据此过程的实际情况,对低温分配系统进行了抽象和简化,并最终对整个低温系统进行了分析。分析计算结果包括此降温过程中制冷机的出口流量随降温过程的变化曲线和TF磁体与整个低温系统的耦合关系。(2)在上述预计算的基础上,针对TF磁体降温至80 K的过程展开讨论,分别对磁体的CICC电缆、线圈中的冷质量、磁体中的冷却通道及线圈盒支撑等各部分元件进行分析和抽象简化,并对整个TF磁体建立了一个准三维降温模型。通过模型的计算将可以得到,线圈及线圈盒的冷质量及冷却氦气沿着流动方向在降温过程中的温度分布和冷却氦气的流动状态。(3)通过上述计算发现,按原设计的冷却氦气的入口温度降低速度,并不能满足磁体内部最大温差不能超过50 K的约束条件。本文在此基础之上提出了一个改进的冷却流体的入口温度降低速度。采用此改进方案后,磁体内各部分的降温依然能保持同步,但降温过程中的最大温差将控制在低于50 K的范围内并保持有15%的冗余,并且整个降温至80 K的过程能在规定的500小时内完成。(4)针对制冷机在TF磁体从80 K降温至6 K的过程中的状态,建立了一个制冷机远离设计工况下的计算模型。此模拟得到了制冷机厂家所提供的T-S图表的验证。将此模型与磁体的降温模型联立求解,并得到了降温至6 K的计算结果。计算结果表明:磁体内的各部分在此降温过程中依然能实现保持同步降温的状态,且TF磁体从80 K降温至6 K的整个过程可以在一周内完成。(5)为国际另一个大型科学装置(FAIR)的预研,设计了一套用于为霍尔元件高场标定的超导磁体系统的设计,论文还在此设计的基础上对此超导磁体进行了失超特性的计算和分析,并得到了预期的计算结果。在完成了超导螺线管的制作后,对磁体进行了降温和励磁实验,测试结果验证了设计的正确性。