CEPC 部分双环方案 低温系统讨论 加速器中心 低温组 李少鹏 2016年4月8日

内容 CEPC主环部分双环超导腔主要参数 CEPC低温系统热负荷预算 CEPC低温系统布局及方案 CEPC低温系统关键技术及预研项目 2

CEPC 部分双环超导腔主要参数 Higgs 单环 （Pre-CDR） 局部双环 （高亮度 （低功率） Z-pole 超导腔频率（MHz）   Higgs 单环 （Pre-CDR） 局部双环 （高亮度 （低功率） Z-pole 超导腔频率（MHz） 650 超导腔总数 384 32 超导腔cell数 5 2 1 腔数 / 恒温器 4 6 恒温器长度（m） 10 恒温器数目 / 高频半分区 恒温器总数 96 64 16 腔压（MV） 18.25 9.5 9.26 4.47 加速梯度（MV/m） 15.8 20.6 20.1 19.4 超导腔有效长度（m） 1.153 0.461 0.231 R/Q（Ω） 514 206 103 品质因数Q0 4E10 2E10 5.0E9 每腔储能（J） 158.7 107.4 102.1 47.6 运行温度（K） 每腔高阶模功率（kW） 3.6 0.8 0.5 0.2 每腔2 K动态热负荷（W） 16.2 21.9 20.8 38.9

CEPC 主环超导腔低温热负荷 频率（MHz） 每腔电压 （MV） 占空比 每腔cell数 腔数 Module数 R/Q Q 温度 （K) 每个腔壁动态损耗 （W） 总的动态损耗 （kW) Booster环 1300 20 20% 9 256 32 1036 2E10 2 3.86 0.99 主环（单环） 650 17.9 CW 5 384 96 514 4E10 15.6 5.99 主环（部分双环） 9.5 64 21.9 8.41 Booster环采用1.3GHz 9-cell超导腔，全环256只9-cell超导腔，每8只腔公用一台cryomodule，共32台Cryomodule；工作温度2K。 主环单环方案采用650MHz 5-cell超导腔，全环384只5-cell超导腔，每4只腔共用一台Cryomodule，共96台Cryomodule；工作温度2K。 主环部分双环方案采用650MHz 2-cell超导腔，全环384只2-cell超导腔，每6只腔共用一台Cryomodule，共64台Cryomodule；工作温度2K 4

Booster环热负荷初步预算 Booster环， 1.3GHz 超导腔 Cryomodule：8*9cell 数量 热负荷/module（W） 总热负荷（KW） 总的等效4.5K热负荷（KW) 80K 5K 2K 静态热负荷 32 140 20 3 4.48 0.64 0.1 腔壁动态热负荷 10 23.2 0.32 0.74 HOM动态热负荷 52.8 3.2 7.2 1.69 0.10 0.23 控制阀箱及低温管线 16 50 0.8 0.16 小计 11.45 1.22 1.47 合计（余量因子1.54） 12.99 1.88 2.26 等效4.5K热负荷 1.34 1.74 7.3 10.38

主环单环方案热负荷初步预算 主环， 650MHz 超导腔 Cryomodule：4*5cell 数量 80K单位热负荷（W） 80K热负荷（KW） 5K热负荷（KW） 2K热负荷（KW） 总的等效4.5K热负荷 （KW） 静态热负荷 96 200 40 8 19.2 3.84 0.77 腔壁动态热负荷 62.4 5.99 HOM动态热负荷 390 39 13 37.44 3.74 1.25 控制阀箱及管线 48 50 10 2.4 0.48 小计 78.24 11.9 8.48 合计（余量因子1.54） 120.49 18.33 13.06 等效4.5K热负荷 9.12 16.97 42.13 68.22

主环部分双环方案热负荷初步预算 主环， 650MHz 超导腔 Cryomodule： 6*2-cell 数量 80K单位热负荷（W） 80K热负荷（KW） 5K热负荷（KW） 2K热负荷（KW） 总的等效4.5K热负荷 （KW） 静态热负荷 64 300 60 12 19.2 3.84 0.77 腔壁动态热负荷 131.58 8.421 HOM动态热负荷 144 14.4 4.8 9.21 0.921 0.307 控制阀箱及管线 32 50 10 1.6 0.32 小计 49.21 8.92 9.82 合计（余量因子1.54） 50.75 13.74 15.12 等效4.5K热负荷 5.7 12.4 48.6 66.67

CEPC低温系统总热负荷 单位 增强器 主环 40-80K 5-8K 2K 各温区总的热负荷 KW 12.99 1.88 2.26 120.49 18.33 13.06 等效4.5K热负荷 1.34 1.74 7.3 9.12 16.97 42.13 总的4.5K等效热负荷 10.38 68.22 (66.67) CEPC总热负荷 78.6 (77.05)

CEPC低温系统电功率消耗初步预算 80K热负荷 5K热负荷 2K热负荷 Boost总的热负荷（KW） 17.63 1.88 2.26 120.43 (75.79) 18.33 (13.74) 13.06 (15.12) CEPC总热负荷（KW） 138.06 (93.42) 20.21 (15.62) 15.32 (17.38) 制冷机效率（W/W) 16.4 197.9 703.0 电功率消耗（MW） (1.53) 4.00 (3.09) 10.77 (12.22) 总的电功率消耗（MW） (16.84)

主环部分双环方案 + 1/2Cryo + Cryo 共设8个低温超导站点： 每个站点Booster环4台Cryomodule，共32台； 每个站点主环12台(或8台）Cryomodule，共96台（或i64台）。 每个站点的低温制冷能力为12KW@4.5K，共96KW@4.5K 制冷能力。 + Cryo

CEPC单环方案与部分双环方案比较 两个方案所需总的制冷能力和电功率相近； 部分双环方案由于超导腔cell数减少，恒温器数量由96台减少到64台，能够部分降低造价；

CEPC低温系统方案 CEPC低温系统拟采用超流氦低温系统设计，超流氦和正常态氦相比，具有非常大的等效导热系数，可以迅速消除热扰动，提高超导系统的稳定性。 同时超流氦几乎没有黏性，超流氦很容易渗透到超导设备的各个部分，超导设备的热稳定性高。超流氦低温系统具有独特的优势。

超流氦低温系统三种不同的方案 （A）常温泵 (B)常温泵和冷压机 (C) 冷压机

世界各大加速器实验室采用的方案 2K

LHC 4.5K/2K制冷机流程

低温系统冷却方案 压缩机 上冷箱 下冷箱 冷压缩机 氦气储罐 水电气 连接冷箱 超导腔组元 液氮系统 地 面 设 备 竖井 下 隧道 80-150m 特点：1）压缩机、储气罐以及水电仪表空气气等常温设备全部安装在地面； 2）带液氮预冷的上冷箱也安装在地面上，防止液氮或氮气进入地下造成安全隐患； 3）低于液氮温区的设备全部安装在地下，以减少距离上的传热损失；

增强器环9-cell超导腔冷却流程

主环5-cell超导腔冷却流程

CEPC 低温系统关键技术研究—目标国产化 CEPC 低温系统 12kW@4.5K 大型氦制冷机关键技术研究（理化所） 1）CEPC大型氦制冷机的设计和研究； 2）CEPC 大型制冷机的透平膨胀机研制； 3）CEPC 大型制冷机氦压缩机研制； CEPC 超流氦2K低温系统关键技术研究（高能所） 4）CEPC 大型低温系统设计研究； 5）大流量2K 低温J-T 热交换热器研制； 6）大流量氦离心式冷压缩机研制；

项目1: CEPC 大型氦低温制冷机关键技术研究 研究所：中科院理化技术研究所 主要设计研究内容： 流程预设计：热力循环方案的选择，热力循环方案的优化，低温部件的设计及选型； 大型制冷机可靠性、可用性、易维护性 和可检测能力等的分析； 整机的动态仿真，对整机工作性能预测。

国内正在研制的2.5KW@4.5K或500W@2K大型制冷机

项目2: CEPC 大型透平膨胀机研制 研究所：中科院理化技术研究所 设计和研制： 高稳定性径向轴承的设计与研制： 高承载力止推轴承的设计与研制： 动压气体轴承研制： 高效氦制冷透平叶轮叶型研究： 氦透平膨胀机热冲击研究： 电机制动的新型高速透平膨胀机研制：

氦透平膨胀机研制技术路线图

项目3: CEPC 氦螺杆压缩机研制 研究所：中科院理化技术研究所 设计和研制： 研究空气螺杆压缩机改为氦压缩机在结构上的革新；对转子型线进行优化设计；分析阴阳转子配合间隙对压缩机密封、润滑及磨损的性能的影响。 研究适于氦螺杆压缩机的冷却及润滑方式，对油－氦混合气体在压缩腔室的传热进行数值模拟，研究喷油冷却的冷却效果；研究压缩机油在不同温度、压力下的润滑性能。 研究氦螺杆压缩机轴封的动态密封技术，优化轴封的动态密封方案。

CEPC 氦螺杆压缩机研制

项目4: CEPC 低温系统设计研究 研究所：高能所 主要内容： 流程初步设计、P&ID管路及仪表图初步设计、系统布局设计、设备初步选型 系统安全性、可靠性、功能性、维护性 和检测能力等的分析 各运行模式流程预算 完成概念设计报告

IHEP-2K低温系统

项目5: 2K低温J-T换热器研制 研究所：高能所 设计和研制： 优化物理设计和结构设计，研制高效率和低压损的高效紧凑型2K换热器； 对各种换热器进行分析研究，通过实验确定优化的换热器结构形式； 对超流氦传热和强化负压传热过程进行研究； 对紧凑型负压换热器及负压管道设计，解决工艺和密封问题； 搭建测试平台，对换热器参数在负压低温环境下的精确测量和控制。

Existing 4.4K cryogenic facility at TLS 2K低温J-T换热器研制 Existing 4.4K cryogenic facility at TLS

项目6:大流量氦离心式冷压缩机研制 研究所：高能所 设计和研制： 开展离心式冷压缩机热力特性、密封绝热特性、内部流动不稳定特性、喘振恢复特性以及多台冷压缩机串联运行特性的设计研究 研究解决电磁轴承、高转速电机，叶轮及流道，叶轮动平衡，不稳定流等问题。 研究负压冷压缩机磁悬浮轴承支撑技术、磁悬浮轴承耦合动态特性仿真、磁悬浮轴承稳定性控制技术、负压冷压缩机喘振恢复技术

大流量氦离心式冷压缩机研制

谢谢各位! 32