【摘要】：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體的溫度,檢測磁體電纜的安全穩(wěn)定運行。電流通過超導母線流入超導磁體中,超導母線是由NbTi超導股線和銅股線多級扭絞而成的管內(nèi)超導電纜(CICC)。受到托卡馬克磁體產(chǎn)生的復雜變化的磁場的影響,超導母線會產(chǎn)生交流損耗。交流損耗是超導母線穩(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)超導母線失超。本文參考了方進博士等人計算交流損耗的方法,詳細計算了在15 MA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母線的耦合時間常數(shù)。本文模擬分析了超導母線在交流損耗影響下產(chǎn)生的溫升效應(yīng)。分流溫度是超導母線穩(wěn)定運行的一個重要參數(shù),超導體溫度達到分流溫度時,電纜中的運行電流密度等于超導臨界電流密度,超導達到失超條件。SUL-TAN工廠測試了主母線全尺寸樣本MBCN1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母線的分流溫度。超導母線在安全穩(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體的局部失超。若這個熱量恰恰能使超導母線完全失超而不恢復到失超狀態(tài),這個熱量就稱為最小失超能。本文利用一維Gandalf模型,詳細模擬計算了超導母線的最小失超能,并通過解熱平衡方程,求得超導母線的最小失超能。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10.0 T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超導電纜傳輸68 kA時將會失超,而在超臨界氦冷卻溫度4.2 K和外磁場20.0 T條件下,YBCO高溫超導帶材仍具有很好的超導電性。本文提出了高一低溫超導縱場磁體的設(shè)計,在磁體內(nèi)側(cè)高磁場區(qū)使用超導電性較好的YBCO高溫超導電纜,在磁體外側(cè)低磁場區(qū)使用韌性較好的NbTi低溫超導電纜,整個磁體全部采用超臨界氮冷卻,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高溫超導電纜,即將YBCO超導帶材平行貼合成堆棧嵌入銅基體之中,此種高溫超導電纜可在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電纜的分流溫度。本文提出一種新的低溫超導接頭,用于連接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)進行了模擬分析。混合磁體中低溫超導電纜和高溫超導電纜的連接需要一個高效小體積的超導接頭,本文提出了高低溫超導接頭的設(shè)計,低溫超導電纜最后一級退扭絞與搭接銅進行焊接,高溫超導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�；旌洗朋w中高溫超導部分也不是一整根電纜繞制的,因此高溫超導電纜之間也需要超導接頭。本文提出了高溫超導接頭的設(shè)計,省去搭接銅,要連接的高溫超導電纜中的帶材呈階梯狀互相搭接,其體積很小,電阻比高一低溫超導接頭的電阻小兩個數(shù)量級,可忽略不計。
【圖文】：

圖１．５邋ＩＴＥＲ中兩種典型的ＣＩＣＣ超導電濰逡逑

圖２．１邋Ｆｅｅｄｅｒ結(jié)構(gòu)示怠圍逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TL631.24

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本文編號：2695000