14T全身超导MRI磁体的技术挑战——大规模应用强场超导磁体未来十年的发展目标之一

本文首先综述了大规模应用的超导磁体,依赖并推动铌三锡Nb3Sn导线技术进步,向更强磁场发展的趋势.着重分析了超高场14 T全身MRI磁体的挑战性技术.选择青铜Nb3Sn导线,采用Nb3Sn线圈和NbTi线圈相结合的混合结构,对14 T全身MRI磁体进行了电磁概念设计和热稳定性及失超保护仿真分析,并简要阐述了14 T全身MRI磁体在应力、接头和匀场方面的关键问题.根据分析结果认为:1)Nb3Sn导线是14 T全身MRI磁体需要面临的首要挑战性问题—作为最佳选择的青铜Nb3Sn导线,其现有产品的性能指标离14 T全身MRI磁体的要求尚存在有一定的差距;2)14 T全身MRI磁体的失超保护涉及线圈的铜超比设计、运行电流同线圈电感的协调配置、被动保护的分段策略和主动保护的失超触发控制以及主动屏蔽结构磁体在失超过程中的逸散磁场限制等多个十分复杂的环节,是最具挑战性的综合性技术.     

15 T高场复合超导磁体低温实验研究

大孔径高均匀度高场磁体是进行超导材料性能测试的必要条件之一.本文主要介绍了15 T高场复合超导磁体的低温励磁实验与结果.该磁体包括两个高性能Nb3Sn线圈、一个ITER Nb3Sn线圈和一个NbTi线圈,分别处于磁体的高、中、低场部分.磁体外径329.9 mm,高度401.44 mm,中心孔径77.5 mm,磁体中心磁场测量值14.94 T,轴向磁场(98％)均匀区测量长度55 mm,超过了磁体设计指标要求的40 mm,测试结果满足设计要求.     

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介绍了国内首个聚变堆用Nb3Sn超导磁体模型线圈。采用一维数学模型Gandalf对其管内电缆导体(CICC)结构的超导体稳定性进行仿真,得到了CICC稳定性裕度与磁场强度和运行电流之间的关系。这对于磁体的设计和运行都有十分重要的意义。     

用多芯Nb/Cu挤压管法Nb_3Sn超导复合线制成13T实用超导磁体

实验证实了用“MF Nb/Cu挤压管法”超导复合线制作13T实用Nb_3Sn/Nb-Ti超导磁体的可行性。净孔径为φ40mm的复合磁体,在4.2K,中心场强达到11.0T;净孔径为φ18mm的复合磁体,在4.2K,中心场强达到13.0T,此时内绕组中的Nb_3Sn 复合线的全临界电流密度J(cw)=310A/mm_2,与短样性能相一致。     

Nb_3Sn CICC模型线圈低温实验与应变测试结果分析

中国科学院强磁场科学中心将建设40 T级混合磁体系统。Nb3Sn CICC模型线圈作为40T的混合磁体外超导磁体的前期预研,其研制成功并获得好的测试结果,将证实混合磁体外超导磁体的设计合理性和关键制造工艺的可行性。介绍了模型线圈的低温实验过程,同时对其应力测试结果进行分析与研究。     

核聚变用内Sn法Nb3Sn股线的制备与性能

采用内Sn法工艺研究了ITER用Nb3Sn股线的制备与性能.我们已成功的研究出了批量生产股线的制备技术,股线具有优异的特性.股线非Cu区的临界电流密度Jcn在12T、4.2K、0.1μV/cm判据下达到1087A/mm2;在±3T的磁场变化范围,磁滞损耗为540 kJ/m3(4.2K);股线的n值在12T、4.2K下为20.此外我们也研究了Nb3Sn层的显微结构和Nb/Sn比.     

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。     

15 T Nb3Sn磁体热处理传热分析及实验研究

大孔径高场磁体是开展超导材料性能研究的必要装置。依托聚变堆主机关键系统综合研究设施项目,中科院等离子体物理研究所将进行15 T高场复合超导磁体研制,磁体高场区由Nb₃Sn密绕线圈构成。热处理是Nb₃Sn线圈研制的关键工艺环节也是磁体研制的难点,要求磁体热处理温度均匀性优于±5℃。针对15 T Nb₃Sn密绕线圈热处理需求,研制了一套真空磁体热处理系统。利用该系统完成了线圈热处理实验,通过传热仿真与实验结果分析,线圈整体温度均匀性优于±3℃,最终各项指标均满足热处理技术要求。     

周期载荷下Nb3Sn温度裕度及变形研究

国际热核聚变反应堆ITER和国内聚变工程实验堆CFETR装置上的CICC运行于复杂的电磁环境中,为应对12 T及更高电磁场的影响,其上的中心螺线和环向磁体已采用Nb_3Sn超导材料,作为A15型的Nb_3Sn材料对应变变化较敏感。而应变下温度裕度和变形等是影响低温(4.2/4.5 K)下超导体稳定运行的重要参数,为获得真实运行情况下磁场与电流产生的电动力所导致的周期应变对温度裕度等的作用,本文采用周期电磁载荷来模拟应变作用,利用温度裕度与刚度的数学计算方法,对Nb_3Sn超导体的温度裕度和变形进行测试对比分析。结果显示分流温度和温度裕度随载荷周期增加而减小,其中分流温度在1～1 000载荷周期快速变小,温度裕度在2 000～3 000载荷周期急剧减小;同时载荷周期导致股线刚度减小和股线变形增加。由此可见,载荷周期产生的应变导致Nb_3Sn性能退化降级。     

超导股线Nb3Sn的性能测试研究

随着超导磁体的不断开发应用,对高临界电流密度超导材料的需求不断增长,以金属间化合物为基体的超导材料Nb3Sn具有特殊的实际意义,其制成的导体临界性能高于NbTi导体,Nb3Sn股线也是ITER磁体的关键组成部分.为了选择超导磁体合适的运行参数以及确定其稳定运行的范围,了解其超导特性是必要的.根据磁体设计所用标准,磁体运行时性能与股线的性能密切相关.本文介绍了一种测试Nb3Sn股线临界性能的方法,实验采用四引线法进行,测试中对样品提供了一个垂直方向的背景磁场,其大小可从0 T变化到16 T,实验时样品置于变温杜瓦内,温度调节通过控制进入变温杜瓦的氦气量来实现,可使温度变化小于0.01 K.对测试结果运用Summer定理进行了拟合并加以分析.     

CFETR PF 导体设计及稳定性分析

中国聚变工程试验堆(CFETR) 是一种新型的超导托卡马克装置, 极向场线圈(PF) 在控制等离子体位行中起着关键作用. CFETR PF 线圈导体由 Nb3Sn CICC 和 NbTi CICC 导体组成. 为了确保 PF 线圈的稳定运行, 本文采用1-D Gandalf 对不同机械扰动和电磁扰动下 PF 导体的稳定性裕度, 最小失超能量及温度裕度的进行了分析. 分析结果表明 CFETR PF 导体目前的设计能够充分满足安全裕度的要求     

先进超导导体测试装置设计分析

针对聚变工程大型超导导体样品在高场下的性能测试需求,设计了内径0.6m、磁场13T的背景磁体系统。磁体系统由6层12个分离式超导线圈组成,线圈采用常规的螺线管结构,由外至内分别使用NbTi、Nb3Sn和YBCO三种超导材料绕制而成;在直径500mm的测试区域范围内产生最高达13.22T的背景磁场,均匀性不低于95%。介绍了磁体线圈主要设计参数,用有限元软件完成电磁、结构分析。结果表明,设计合理可靠,能够满足导体测试装置的需求。     

未来聚变堆用高温CICC导体发展现状及工程质量控制

相对于浸泡式冷却和制冷机冷却的磁体或线圈,CICC导体具有高冷却效率、高稳定性和高强度、可绕制成大尺寸线圈等特性,被广泛应用于加速器及核聚变等大科学装置中。目前,用于制备CICC的超导材料Nb Ti和Nb3Sn都属于低温超导材料,其中Nb3Sn制备的CICC可以在13T左右的磁场中使用,较具代表性的如ITER中心螺旋管线圈。未来聚变堆中需要更高的磁场来约束高能量密度等离子体,这不仅要求超导材料具有高场载流能力,也需要更好的机械性能来抵抗更大电磁力造成的应变。现有低温超导材料已无法满足这些要求,需要发展可用于CICC的新型超导材料予以替代。文中主要介绍了Bi2212和YBCO两种高温CICC导体的研究现状,以及将来可采取的工程质量控制方法。     

中心螺管模型线圈交流损耗计算及测试

中心螺管模型线圈选用 Nb Ti/ Cu复合超导材料 ,超导股线直径 0 .85 m m,Cu截面积与 Nb Ti截面积比为 1.38;经过 4级绞缆和成型 ,导体尺寸为 17.4 mm× 17.4 m m,中心冷却孔直径 4 .1m m。线圈用超临界氦冷却 ,流体进口温度为 3.8- 4 .2 K,压力 6 bar,每个流道流量 2 .2 g/ s。用量热法对中心螺管模型线圈进行了交流损耗测试并与计算值相比较 ,3次交流损耗电流分别是 :30 0 A/ s速度励磁和放电 ,最大电流 5 k A ,交流损耗测量值为每脉冲 78.3J;30 0 A / s速度励磁和放电 ,最大电流 7k A ,交流损耗测量值为每脉冲 14 0 .7J;4 0 0 A/ s速度励磁和放电 ,最大电流 7k A,交流损耗测量值为每脉冲14 5 .4 J;计算值分别为每脉冲 98J,1385 J,14 2 J;两者较好相符。     

高性能内锡法Nb_3Sn超导股线生产用Sn-Ti合金的研制

高性能内锡法Nb3Sn超导股线可用于国际热核聚变反应堆(ITER)磁体,股线加工过程中的断线问题是股线制备的关键技术之一.在股线的Sn组元中添加适量的Ti不但能够提高Sn的强度利于股线的长线加工;同时Ti元素的添加还可以提高热处理中Nb3Sn的成相速度,降低晶粒尺寸,提高股线的电磁特性.本文介绍了满足Nb3Sn超导股线制备要求的Sn-Ti合金的制备技术,分析了不同浇铸温度对铸锭的影响,对比了加工中Sn-Ti合金的微观组织变化,为我们制备满足ITER要求的Nb3Sn超导股线提供了重要的保障.     

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在中国聚变工程试验堆(CFETR)的概念设计阶段,为了将来正确设计和顺利加工其中心螺线管(CS)线圈,设计了一个由Nb3Sn内线圈和NbTi外线圈组成的模型线圈。采用线电流模型和后期数据处理的方法对其磁场做了精确计算,解决了线电流模型不能计算导线内部磁场的问题。在此基础上计算了线圈的电感和电磁应力等参数。     

100kJ高温超导储能磁体电磁分析及研究

超导磁储能系统(SMES)是超导在电力领域的一个重要应用。文中介绍的100k J SMES磁体由30个Bi2223/Ag带材绕制的双饼线圈组成,设计工作温度20K,工作电流200A。SMES在运行时,磁体不同位置的带材所受到的磁场的大小和方向不同,其临界电流退化程度也不相同。保证一定的临界电流裕度是磁体稳定工作的前提。文中通过有限元法计算了磁体的磁场分布,分析了磁体的临界电流裕度以及磁体在不同温度下的临界电流。结果表明,磁体在设计工况下电流裕度可达57.5%。计算结果可以为SMES磁体的设计和运行提供参考。     

CCT型超导组合磁体样机结构设计

基于斜螺线管型(Canted-Cosine-Theta,简称CCT)线圈结构,研制了一台四极与六极组合的超导磁体样机,它的四极和六极梯度场分别为22 T/m和120 T/m²。该组合型磁体的好场区范围为Φ0.16 m×1.3 m,有效长度为1.3 m。其中四极与六极磁体均采用两层骨架结构,每层骨架的线槽内并排放置多层多根超导线。本文根据导体轨迹,以约束电磁力为结构设计目标,设计了磁体关键部件线圈支撑骨架和磁体内外支撑结构,并介绍了磁体制造过程中的关键环节。     

20T混合磁体系统中线圈间作用力的计算

本文导出两线圈间作用力的通用计算公式,并给出Bitter线圈和均匀电流密度线圈的简便计算公式.作为例子,我们计算了20 T混合磁体系统中超导线圈与Bitter线圈间的作用力.结果表明,计算精度足已满足设计的要求.     

14T MRI大口径全身自屏蔽超导磁体的一种优化设计方法

磁共振成像(MRI)的磁体设计首先是确保中心成像区的场值和均匀性, 二是尽可能减少场值耗散的距离即漏磁5Gs 线. 基于此本文提出了一种线性与非线性规划联合优化的方法. 首先将导体作为基本单元, 在预布置线圈的空间范围内构建二维连续导体网格. 通过线性规划搜索满足磁场约束条件的网格电流分布图. 再将存在电流的网格离散为一个个矩形线圈区域, 在保证场值均匀性、 杂散场5 Gs 线范围以及线圈位置间隔、 导体超导线安全裕度的前提下利用非线性规划, 具体确定各个线圈的轴向和径向位置、 线圈内导体层数和各层匝数以及通电流大小等. 采用这种联合优化方法, 不仅节省优化时间, 还可以自行设计线圈形状有利于工程实现. 文中由此方法给出了14 T MRI 磁体的一种设计方案, 依靠4 组线圈使得45 cm 中心球形成像内不均匀度降低到5 ppm, 而高场耗散的5 Gs 线通过磁体自屏蔽减小到15 m 以内. 满足了设计的要求.