超导托卡马克磁体和馈线系统关键电磁学问题研究

发布时间：2020-06-03 15:10

【摘要】：馈线(Feeder)是托卡马克聚变实验堆磁体系统的重要组件,其主要作用是：为磁体励磁和退磁,并为磁体系统提供液氦冷却剂以控制超导体的温度,检测磁体电缆的安全稳定运行。电流通过超导母线流入超导磁体中,超导母线是由NbTi超导股线和铜股线多级扭绞而成的管内超导电缆(CICC)。受到托卡马克磁体产生的复杂变化的磁场的影响,超导母线会产生交流损耗。交流损耗是超导母线稳定性分析的一个重要参数,若交流损耗过高,可能会触发超导母线失超。本文参考了方进博士等人计算交流损耗的方法,详细计算了在15 MA等离子体电流参考工况下纵场磁体主母线、极向场磁体主母线、中心螺线管主母线和校正场线圈校正母线的交流损耗,本文更加详细的计算出超导母线的耦合时间常数。本文模拟分析了超导母线在交流损耗影响下产生的温升效应。分流温度是超导母线稳定运行的一个重要参数,超导体温度达到分流温度时,电缆中的运行电流密度等于超导临界电流密度,超导达到失超条件。SUL-TAN工厂测试了主母线全尺寸样本MBCN1和MBCN4的分流温度,本文用一维Gandalf模型模拟计算了测试样本的分流温度,发现分流温度的测试值和模拟值差别较大。本文提出了一种新的方法计算出测试样本的分流温度,分流温度的计算值和测试值差别较小,本文用此种方法计算了超导母线的分流温度。超导母线在安全稳定运行过程中,形变、应力和位移能特殊工况可能在小范围短时间内产生极高的热沉积,热沉积可能引起超导体的局部失超。若这个热量恰恰能使超导母线完全失超而不恢复到失超状态,这个热量就称为最小失超能。本文利用一维Gandalf模型,详细模拟计算了超导母线的最小失超能,并通过解热平衡方程,求得超导母线的最小失超能。ITER纵场磁体在等离子体中心处产生5.3 T的磁场,众所周知,约束磁场越高对等离子体的约束性能越好,本文提出了将纵场磁体的等离子体中心场提高到10.0 T的设计。等离子体中心场为10.0 T时,纵场磁体内侧的最高磁场达到20.0 T,在如此高的磁场条件下,Nb3Sn超导电缆传输68 kA时将会失超,而在超临界氦冷却温度4.2 K和外磁场20.0 T条件下,YBCO高温超导带材仍具有很好的超导电性。本文提出了高一低温超导纵场磁体的设计,在磁体内侧高磁场区使用超导电性较好的YBCO高温超导电缆,在磁体外侧低磁场区使用韧性较好的NbTi低温超导电缆,整个磁体全部采用超临界氮冷却,混合磁体可以稳定运行提供10.0 T的等离子体中心场。针对混合磁体的电磁环境本文提出了堆栈式YBCO高温超导电缆,即将YBCO超导带材平行贴合成堆栈嵌入铜基体之中,此种高温超导电缆可在20.0 T磁场环境中安全稳定传输68 kA的直流电。本文建立高温超导电缆的COMSOL模型模拟计算了其在传输交变电流时的交流损耗,交流损耗值很高,因此这种堆栈式高温超导电缆不适用于传输交变电流。本文详细计算了在传输68 kA直流电时,高温超导电缆的在混合磁体励磁和退磁时的交流损耗,并详细计算了高温超导电缆由交流损耗引起的温升效应。本文详细的模拟计算了高温超导电缆的分流温度。本文提出一种新的低温超导接头,用于连接ITER的主母线,这种接头具有体积小、电阻小和产生温升小的特点。新接头中,将要连接的两根NbTi超导电缆的最后一级退扭绞得到次级子缆,将次级子缆用纯铟焊接至同一搭接铜上。由于次级子缆的扭绞节距小于最后一级电缆的,所以新接头的搭接铜长度小于ITER双盒搭接接头的。本文对新超导接头的电阻进行了分析计算,新接头的电阻为0.1 nΩ,小于ITER双盒搭接接头的电阻0.2 nΩ。本文用Gandalf模型对新接头和双盒搭接接头产生的温度效应进行了模拟分析。混合磁体中低温超导电缆和高温超导电缆的连接需要一个高效小体积的超导接头,本文提出了高低温超导接头的设计,低温超导电缆最后一级退扭绞与搭接铜进行焊接,高温超导电缆中带材和铜是阶梯型搭接的,每一层带材一个阶梯,本文利用接头COMSOL模型对接头的电阻进行了模拟分析。混合磁体中高温超导部分也不是一整根电缆绕制的,因此高温超导电缆之间也需要超导接头。本文提出了高温超导接头的设计,省去搭接铜,要连接的高温超导电缆中的带材呈阶梯状互相搭接,其体积很小,电阻比高一低温超导接头的电阻小两个数量级,可忽略不计。
【图文】：

图１．５邋ＩＴＥＲ中两种典型的ＣＩＣＣ超导电潍逡逑

图２．１邋Ｆｅｅｄｅｒ结构示怠围逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL631.24

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本文编号：2695000