15 T NbTi/Nb3Sn超导磁体的设计

提出了一个冷孔直径150 mm、中心磁场为15 T的NbTi/Nb_3Sn超导磁体电磁结构。分析了超导磁体各线圈中磁场的分布规律,结合超导材料临界性能,得到了超导磁体的运行电磁裕度。针对线圈结构组份材料的机械性能,采用平均有限元法仿真了超导磁体的应力/应变,最大环向应力和应变分别为112 MPa和0.297%。该结果表明了超导Nb_3Sn线圈中的应力/应变处于合理水平。     

Nb_3Sn超导临界温度随应变退化效应的分析模型研究

力学变形诱导的Nb_3Sn超导临界性能退化给超导磁体装置的电磁性能指标和安全运行造成了极其不利的影响.由于对Nb_3Sn超导临界性能应变退化效应认识的不足,目前仍缺乏统一适用于不同应变状态下的工程设计用一般本构模型.本文基于张量函数的表示理论和Nb_3Sn电子态密度Bhatt模型,建立了可以统一描述不同加载模式下Nb_3Sn费米面态密度变化的演化模型,并基于此给出了能够与不同实验结果吻合较好的刻画超导临界转变温度应变退化特征的分析模型.正作为国际热核聚变实验反应堆(ITER)、核磁共振(NMR)波谱仪以及高能物理(HEP)等超导磁体构件用超导材料之一,Nb_3Sn超导材料在高场超导磁体领域引起了广泛的研究关注[1-4].力学变形诱导的Nb_3Sn超导材料超导电性能(临界温度、上临界磁场、临界电流密度)退化,给超导磁体的安全稳定运行造成了极其不利的影响[4].针对Nb_3Sn超导材料变形-超导电性能耦合行为,Ekin进行了系列实验[5],实验结果表明,力学变     

有限元法模拟Nb_3Sn线材的应变分布

Nb3Sn超导磁体正常运行时,复合超导线材将受到大的机械载荷(如温度载荷、轴向拉伸和电磁力),其超导电性可能发生可逆和不可逆的退化。针对Nb3Sn线材经高温热处理后冷却到4.2K所产生的热应变,对复合线材结构建立详细的三维有限元分析模型,解决了一维模型不能详细模拟应变分布的问题,从微观尺度仿真了导体内部的应变分布,阐明了导体不同组份材料上热应变分布的特点。在此基础上,进一步分析了对Nb3Sn复合导线施加轴向拉力时,内部Nb3Sn芯丝上由压应变向拉伸应变的转换过程。     

Nb_3Sn CICC交流损耗及分流温度计算与分析

由于应变对Nb3Sn CICC(Cable-in-Conduit Conductor)交流损耗和稳定性有重要影响,中文基于Godeke-Ilyin定标法则首先求得Nb3Sn导体的临界电流密度,以此为基础计算分析了交流损耗,并讨论了电磁循环对交流损耗的影响;此外基于Godeke-Ilyin定标法则与分流温度的试验结果,拟合出分流温度与轴向应变的关系式,这为分析应变对Nb3Sn CICC分流温度的影响提供了一种思路。     

Nb_3Sn超导股线残余应力分析

Nb3Sn超导股线在900K形成,而工作环境是在4.2K,从高温到低温会在Nb3Sn超导股线内部产生残余应力与应变,Nb3Sn超导股线对应力应变十分敏感,过大的应力会使股线的性能严重退化。通过理论计算和数值模拟的方法来计算Nb3Sn超导股线的残余应力与应变。     

Nb_3Sn超导股线受压弹塑性有限元分析

运用ANSYS软件建立Nb3Sn超导股线的二维截面简单模型,采用有限元方法研究平板压缩和凹面板压缩方式对Nb3Sn超导股线在4.2K低温下受不同的压力下弹塑性应变的影响。通过分析得出:两种不同的压缩方式使Nb3Sn股线中超导区域的中间位置的应变比靠近外层位置的应变要大;受同样压力作用下,平板压缩导致的超导区域的平均应变要比凹面板平均应变大。采用该有限元模型,研究了Nb3Sn超导股线三个不同位置上产生的空隙在压力作用下对超导股线的弹塑性应变的影响。通过分析可得出:空隙会使股线中的超导区域的平均应变增大,并且越靠近施力点的空隙对平均应变影响越大;在具有相同位置的空隙下,平板压缩导致的超导区域的平均应变要比凹面板平均应变大。     

Nb_3Sn超导相的微观组织表征与Sn扩散的研究

CICC导体作为45T混合磁体外超导磁体的重要绕制材料,其所用的超导股线是由牛津公司提供的RRP法制备的高临界电流Nb_3Sn超导线材。由于Nb_3Sn超导相为典型的A15结构,其塑性非常差,所以在实际工程应用当中,往往是采用先绕制线圈,然后对绕制好的线圈进行热处理,进而生成Nb_3Sn超导相。因此,热处理制度的合理制定对于Nb_3Sn超导相的微观组织结构和超导性能具有非常重要的意义。为了验证热处理故障对超导磁体性能的影响,研究制定了三种不同的热处理制度,利用SEM方法对其生成的Nb_3Sn超导相进行微观组织的表征,通过EDS分析Sn元素的扩散;结合Ic值和RRR值的测定结果,对比分析不同热处理制度对Nb_3Sn股线微观组织与性能的影响。     

高压下A15结构Nb_3Si合成条件的估计

目前,在新的超导材料的研究中,A15结构(A_3B型)化合物引起了广泛的兴趣,尤其是Nb族的A15结构超导材料都有很高的超导转变温度Tc,例如Nb_3Sn(18.3K),Nb_3(Al_(0.75) Ge_(0.25))(21.3K),而Nb_3Ge达到23K。 经验表明,在A15结构的超导体中,对同一的A原子,Tc一般随B原子质量下降而增加。例如:     

CFETR中心螺管模型线圈稳定性分析

中国聚变工程试验堆(CFETR)中心螺管模型线圈,内部磁体为Nb3Sn线圈,外部磁体为Nb Ti线圈。模型线圈最高磁场可以达到12.0T。针对提出的内部线圈方案,借助一维失超分析软件Gandalf,对Nb3Sn线圈的温度裕度、稳定裕度做了计算。在49k A,12T运行条件下,温度裕度为1.9K,稳定性裕度421.2m J/cm3~426.6m J/cm3。结果表明,温度裕度和稳定性裕度均不低于ITER导体设计要求。     

多股Nb_3Sn超导小磁体的研制

多股Nb_3Sn复合导体具有高的电磁和热的稳定性以及低的交流损耗等特点,引起人们广泛的重视。 我系超导材料组1972级部分工农兵学员和教师与有关研究所协作,一起研制了多种形式的多股Nb_3Sn复合导体,并用“先绕制后扩散”和“先扩散后绕制”二种工艺,绕制了小型超导磁体,获得了初步的良好结果。