高温超导在托卡马克磁体中的关键技术问题研究

高温超导(HTS)材料具有较高的运行温度、较宽的温度区间、较大的电流密度、较强的磁场以及节省制冷功率等特点,使其在磁约束核聚变方面的应用中表现出了一些优于低温超导(LTS)的特性。随着HTS材料特别是第二代HTS带材及其应用技术的不断进步,其在大型托卡马克磁体设计和制造方面的优势相较LTS将更加显著。文中就HTS在托卡马克磁体中的关键技术问题进行了研究,综合阐述了国内外该领域的最新研究进展与发展趋势,并基于发展现状提出了当前亟待解决的问题。     

高温超导环向场D型线圈的电磁设计

随着高温超导材料和应用技术的进步,采用高温超导技术已成为未来磁约束核聚变装置的发展方向。以ITER托卡马克环向场磁体为研究和应用对象,采用YBCO带材进行了小型高温超导环向场D型线圈的电磁设计,分析了在带材的总用量一定的情况下,线圈的个数和布局对环向场磁体的临界电流、磁场强度及位形的影响,探讨了高温超导环向场磁体的电磁设计方法和技术要点。     

高温超导带材的弯曲通流特性研究

高温超导带材的弯曲通流特性决定了超导线圈的临界电流大小。文中针对典型的铋系和钇系高温超导带材,设计了一套测量其弯曲通流能力的装置,研究了77K、自场下高温超导带材在不同弯曲直径下的临界电流,以及双面弯曲再拉直情况下临界电流的恢复特性,并对实验结果进行了分析。     

高温超导磁体临界电流计算方法研究

根据超导带材的临界特性确定超导磁体的临界电流是磁体设计中非常关键的一部分,目前计算超导磁体临界电流的常用方法主要是基于H方程的有限元方法。自洽模型是其中之一,该模型在计算单线圈的临界电流时表现出良好的精度。但是随着磁体规模的增大,传统的自洽模型由于计算效率低下不再适用。介绍了一种用于大型磁体临界电流计算的改进自洽模型。该模型在建模中使用了均质化的思想,大大减少了计算量,从而提高了计算速度。实验表明,改进后的模型具有较高的精度,满足实际需要。该模型将在大型磁体临界电流计算中得到较好的应用。     

松弛迭代法在电流引线设计中的应用

对于大多数超导电力装置来说,用于制冷的费用决定着整个系统的长期运行成本,电流引线漏热是低温系统的主要热负荷来源,是造成整个超导装置中静态冷量损失的主要原因。引线温度分布决定了漏热的大小,实际工程应用中常需要在给定尺寸下求解电流引线的温度分布及低温端漏热,文中介绍的松弛迭代法可迅速求解出电流引线沿线的温度分布,并推导出引线低温端漏热,由于松弛法可以通过多次迭代实现误差控制,因此,求解精确度能得到有效保证,为不同工况下电流引线优化设计提供了一种快速有效的计算方法。     

无绝缘高温超导跑道型磁体设计

环向场磁体是ITER托卡马克装置中的核心部分,采用无绝缘高温超导磁体技术能使其产生更高的稳态场。文中介绍了无绝缘高温超导磁体技术的原理和特点,并以跑道型磁体为着手点,使用不同的超导带材,利用有限元法设计无绝缘高温超导磁体,总结了线圈个数与布局对磁体临界电流和中心磁场的影响。该磁体在20K下可产生的稳态磁场约为3.59T。