超導(dǎo)托卡馬克磁體和饋線系統(tǒng)關(guān)鍵電磁學(xué)問題研究.pdf

1、饋線(Feeder)是托卡馬克聚變實驗堆磁體系統(tǒng)的重要組件，其主要作用是:為磁體勵磁和退磁，并為磁體系統(tǒng)提供液氦冷卻劑以控制超導(dǎo)體的溫度，檢測磁體電纜的安全穩(wěn)定運行。電流通過超導(dǎo)母線流入超導(dǎo)磁體中，超導(dǎo)母線是由NbTi超導(dǎo)股線和銅股線多級扭絞而成的管內(nèi)超導(dǎo)電纜(CICC)。受到托卡馬克磁體產(chǎn)生的復(fù)雜變化的磁場的影響，超導(dǎo)母線會產(chǎn)生交流損耗。交流損耗是超導(dǎo)母線穩(wěn)定性分析的一個重要參數(shù)，若交流損耗過高，可能會觸發(fā)超導(dǎo)母線失超。本文參考了方進

2、博士等人計算交流損耗的方法，詳細計算了在15MA等離子體電流參考工況下縱場磁體主母線、極向場磁體主母線、中心螺線管主母線和校正場線圈校正母線的交流損耗，本文更加詳細的計算出超導(dǎo)母線的耦合時間常數(shù)。本文模擬分析了超導(dǎo)母線在交流損耗影響下產(chǎn)生的溫升效應(yīng)。
　　分流溫度是超導(dǎo)母線穩(wěn)定運行的一個重要參數(shù)，超導(dǎo)體溫度達到分流溫度時，電纜中的運行電流密度等于超導(dǎo)臨界電流密度，超導(dǎo)達到失超條件。SUL-TAN工廠測試了主母線全尺寸樣本MBCN1

3、和MBCN4的分流溫度，本文用一維Gandalf模型模擬計算了測試樣本的分流溫度，發(fā)現(xiàn)分流溫度的測試值和模擬值差別較大。本文提出了一種新的方法計算出測試樣本的分流溫度，分流溫度的計算值和測試值差別較小，本文用此種方法計算了超導(dǎo)母線的分流溫度。超導(dǎo)母線在安全穩(wěn)定運行過程中，形變、應(yīng)力和位移能特殊工況可能在小范圍短時間內(nèi)產(chǎn)生極高的熱沉積，熱沉積可能引起超導(dǎo)體的局部失超。若這個熱量恰恰能使超導(dǎo)母線完全失超而不恢復(fù)到失超狀態(tài)，這個熱量就稱為最小

4、失超能。本文利用一維Gandalf模型，詳細模擬計算了超導(dǎo)母線的最小失超能，并通過解熱平衡方程，求得超導(dǎo)母線的最小失超能。
　　ITER縱場磁體在等離子體中心處產(chǎn)生5.3 T的磁場，眾所周知，約束磁場越高對等離子體的約束性能越好，本文提出了將縱場磁體的等離子體中心場提高到10.0T的設(shè)計。等離子體中心場為10.0 T時，縱場磁體內(nèi)側(cè)的最高磁場達到20.0 T，在如此高的磁場條件下，Nb3Sn超導(dǎo)電纜傳輸68kA時將會失超，而在超臨

5、界氦冷卻溫度4.2 K和外磁場20.0 T條件下，YBCO高溫超導(dǎo)帶材仍具有很好的超導(dǎo)電性。本文提出了高—低溫超導(dǎo)縱場磁體的設(shè)計，在磁體內(nèi)側(cè)高磁場區(qū)使用超導(dǎo)電性較好的YBCO高溫超導(dǎo)電纜，在磁體外側(cè)低磁場區(qū)使用韌性較好的NbTi低溫超導(dǎo)電纜，整個磁體全部采用超臨界氦冷卻，混合磁體可以穩(wěn)定運行提供10.0 T的等離子體中心場。針對混合磁體的電磁環(huán)境本文提出了堆棧式Y(jié)BCO高溫超導(dǎo)電纜，即將YBCO超導(dǎo)帶材平行貼合成堆棧嵌入銅基體之中，此種

6、高溫超導(dǎo)電纜可在20.0 T磁場環(huán)境中安全穩(wěn)定傳輸68 kA的直流電。本文建立高溫超導(dǎo)電纜的COMSOL模型模擬計算了其在傳輸交變電流時的交流損耗，交流損耗值很高，因此這種堆棧式高溫超導(dǎo)電纜不適用于傳輸交變電流。本文詳細計算了在傳輸68 kA直流電時，高溫超導(dǎo)電纜的在混合磁體勵磁和退磁時的交流損耗，并詳細計算了高溫超導(dǎo)電纜由交流損耗引起的溫升效應(yīng)。本文詳細的模擬計算了高溫超導(dǎo)電纜的分流溫度。
　　本文提出一種新的低溫超導(dǎo)接頭，用于

7、連接ITER的主母線，這種接頭具有體積小、電阻小和產(chǎn)生溫升小的特點。新接頭中，將要連接的兩根NbTi超導(dǎo)電纜的最后一級退扭絞得到次級子纜，將次級子纜用純銦焊接至同一搭接銅上。由于次級子纜的扭絞節(jié)距小于最后一級電纜的，所以新接頭的搭接銅長度小于ITER雙盒搭接接頭的。本文對新超導(dǎo)接頭的電阻進行了分析計算，新接頭的電阻為0.1 nΩ，小于ITER雙盒搭接接頭的電阻0.2 nΩ。本文用Gandalf模型對新接頭和雙盒搭接接頭產(chǎn)生的溫度效應(yīng)進行

8、了模擬分析。
　　混合磁體中低溫超導(dǎo)電纜和高溫超導(dǎo)電纜的連接需要一個高效小體積的超導(dǎo)接頭，本文提出了高低溫超導(dǎo)接頭的設(shè)計，低溫超導(dǎo)電纜最后一級退扭絞與搭接銅進行焊接，高溫超導(dǎo)電纜中帶材和銅是階梯型搭接的，每一層帶材一個階梯，本文利用接頭COMSOL模型對接頭的電阻進行了模擬分析。混合磁體中高溫超導(dǎo)部分也不是一整根電纜繞制的，因此高溫超導(dǎo)電纜之間也需要超導(dǎo)接頭。本文提出了高溫超導(dǎo)接頭的設(shè)計，省去搭接銅，要連接的高溫超導(dǎo)電纜中的帶材呈