CN107925342A - Hts磁体的支撑结构 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种用于包含高温超导体(HTS)的场线圈的支撑结构。该支撑结构包括内部负载传递构件，该内部负载传递构件被构造成一端接附到场线圈、另一端接附到包含场线圈的真空容器的内表面，并且构造成支撑场线圈。内部负载传递构件的至少一部分被构造成在HTS磁体工作期间保持在室温下，并且不被用于冷却场线圈的冷却系统冷却。

Description

HTS磁体的支撑结构

技术领域

本发明涉及用于磁体的支撑结构，具体地涉及用于包括高温超导体(HTS)的磁体的支撑结构，特别是用于向托卡马克装置提供极向场和环向场的磁体。

背景技术

超导磁体是由超导材料的线圈(“场线圈(field coils)”)构成的电磁体。由于磁体线圈具有零电阻，超导磁体可以零损失地承载高电流(尽管非超导部件将存在损失)，由此能够达到比传统的电磁体更高的磁场。

超导性只在一些材料中发生，并且只在低温下发生。超导材料在由超导体的临界温度(在零磁场中材料为超导体的最高温度)和超导体的临界场(在0K下材料为超导体的最高磁场)确定的范围内下表现为超导体。超导体的温度和存在的磁场限制了超导体在不变成电阻性的情况下能够承载的电流。

一般来说，存在两种类型的超导材料。低温超导体(LTS)具有低于30K-40K的临界温度，高温超导体(HTS)具有高于30K-40K的临界温度。多种目前的HTS材料具有高于77K的临界温度，这允许使用液氮进行冷却。

由于磁体需要冷却到低温，因此它们典型地被包括在设计成使磁体的加热最小化的低温恒温器中。这种低温恒温器典型地包括真空腔以使通过对流或传导的加热最小化，并且可以包括一个或多个隔热罩，该隔热罩在介于磁体的温度和外部温度之间的中间温度下，以使辐射加热最小化。

磁体的所有支撑结构都被冷却到尽可能低的温度，以减小场线圈上的热负载以及由此场线圈本身所需的冷却。特别地，接附在磁体上的任何部件都被冷却以减少通过传导的热量传递，并且任何到场线圈具有可视通路的部件都应当被冷却以减少辐射传热。

对于一些磁体结构，例如用于托卡马克装置等离子体腔的环向场线圈，磁体上的电磁负载可非常高。环向场线圈的自场产生作用在每个环向场线圈的平面内的力，并且从各场线圈的内部(即从等离子体腔中的真空容器)向外作用。尽管自场对场线圈没有净力，但EM力的作用是场线圈的强大的内部张力。实践中，可以认为环向场线圈始终处于向外的压力下，该压力倾向于将它们推向“爆裂”。

除了自场之外，托卡马克装置中的环向场线圈电流与的极向场(由等离子体电流产生)之间的相互作用产生垂直于场线圈平面的负载，该负载用于使用相反的环向力使环向场磁体扭转。该力小于自场产生的力，但它通常是脉动的，这可能在支撑结构上施加附加的应力。

抵消环向场线圈的EM力的支撑结构采用线圈间结构和线圈壳体的形式，这增加了磁体组件的刚度和强度。这些结构保持在包含磁体的低温恒温器的冷却体积内，以避免向磁体传递热量。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种用于包含高温超导体(HTS)的场线圈的支撑结构。该支撑结构包括内部负载传递构件，该内部负载传递构件被构造成一端接附到场线圈而另一端接附到包含场线圈的真空容器的内表面，并且构造成支撑场线圈以抵抗作用于场线圈上的电磁力。内部负载传递构件的至少一部分被构造成在HTS磁体工作期间保持在室温下。

实际上，在工作中，内部负载传递构件的接附到场线圈的端部可以处于与场线圈基本相同的温度(例如约30K)，另一端可以处于室温，因此可能存在沿着内部负载传递构件的温度梯度。一些内部负载传递构件可能被冷却或内部负载传递构件可能未被冷却。

支撑结构可以包括被构造成支撑内部支撑构件的外部支撑构件。外部支撑构件可以与真空容器成为一体或接附到真空容器的外表面。外部支撑结构未被冷却。

内部负载传递构件可以被构造成接附到真空容器的上部内表面和场线圈的上部部分。内部负载传递构件可以包括层压材料(例如玻璃纤维环氧树脂材料)，层压材料的平面垂直于内部负载传递构件的负载轴线。替代材料包括玻璃、碳、Kevlar、Zylon的沿着负载方向排列并与带子嵌入环氧树脂中的单向纤维，该带子缠绕成包含爆裂应力。在安装有合适的抗弯带的情况下，也可以使用金属管。

场线圈可以是环向场线圈(例如用于将等离子体限制在托卡马克装置中)，内部负载传递构件被构造成接附到环向场线圈的返回分支。

根据一个实施例，提供了一种用于HTS场线圈的低温恒温器，该低温恒温器包括如上所述的支撑结构以及包围内部支撑构件和场线圈的真空容器。低温恒温器还可以包括位于真空容器和场线圈之间的隔热罩以及用于将隔热罩(可选地使用液氮)冷却到介于场线圈的温度与真空容器的温度之间的中间温度的冷却系统。冷却系统还可以用于冷却内部负载传递构件的内部部分。内部负载传递构件可以穿过隔热罩。

根据一个实施例，提供了一种超导磁体，该超导磁体包括如上所述的低温恒温器、HTS场线圈和冷却系统，该冷却系统被构造成将场线圈冷却到低于HTS的临界温度的温度，其中，外部支撑构件不直接被冷却系统冷却。

根据一个实施例，提供了一种核聚变反应堆，该核聚变反应堆包括如上所述的低温恒温器、接附有内部负载传递构件的HTS环向场线圈、两个或多个HTS极向场线圈、球形托卡马克等离子体腔以及冷却系统，该冷却系统被构造成将环向场线圈和极向场线圈冷却到低于HTS的临界温度的温度。内部负载传递构件不需要被冷却系统直接冷却。第二内部负载传递构件可以接附到极向场线圈。低温恒温器的外部支撑件不被冷却系统冷却。

根据一个实施例，提供了一种超导磁体。该超导磁体包括场线圈、冷却系统、真空容器和内部负载传递构件。场线圈包含HTS。冷却系统用于将场线圈冷却到低于HTS的临界温度的温度。真空容器包含场线圈。内部负载传递构件被构造成一端接附到场线圈而另一端接附到包含场线圈的真空容器的内表面，并且被构造成支撑场线圈以抵抗作用于场线圈上的电磁力。内部负载传递构件的至少一部分被构造成在场线圈工作期间保持在室温下。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明的一些优选实施例，图中：

图1是示例性HTS场线圈、低温恒温器和支撑结构的示意图；和

图2是被支撑的环向HTS场线圈的示意图。

具体实施方式

由于在工作期间施加于环向场线圈的高的力，冷却体积内的支撑结构可能不适用于高场和/或低半径环向场线圈。由于现有技术中认为需要保持EM支撑结构冷却，因此实际上不可能将来自于环向场线圈的力传递到外部支撑件，而是依靠支撑结构自身的强度来支撑该场线圈。这是一个特殊问题，因为环向场线圈上的负载不是轴对称的(关于中心柱旋转对称)，这使得难以设计能够包含在冷却体积内的支撑结构。

与传统的构建超导磁体的方法相反，提出在不使磁体的热负载产生显着差异的情况下，可以不冷却HTS环向场线圈的支撑件。由于在HTS工作温度下(典型地是30K左右)除去多余热量的成本比在LTS工作温度下(典型地是4K左右)除去热量的成本高得多，因此可以这样做。额外的热量将增加保持磁体冷却所需的功率，但是允许大大简化支撑结构的设计，并且减小低温恒温器、真空容器和隔热罩所需的尺寸(因为它们只需要包围磁体本身，而不是支撑件)。

对于已经具有很高的热负载的应用，诸如核聚变反应堆(这种反应堆的热负载比由室温支撑件产生的额外的热负载大得多，因此冷却系统能够容易地处理额外的热量)，使用室温支撑件特别有吸引力。

另外，大多数传统的超导磁体是轴对称的。由电磁力引起的任何负载都可以包含在冷却体积中。

相比之下，用于在托卡马克装置聚变反应堆中包含等离子体的环向场线圈不是轴对称的，并且具有非常具有挑战性的应力分布。特别地，在托卡马克装置正常工作期间，环向场线圈的自场导致在线圈平面上向外作用的力分布。

用于场线圈的支撑结构包括内部负载传递构件，该内部负载传递构件连接到磁体和低温恒温器的真空容器的内表面。支撑结构还可以包括外部支撑构件，该外部支撑构件在对应于内部负载传递构件接附点的位置处连接到真空容器的外表面，并且承受由内部负载传递构件施加的负载。外部支撑构件可以与真空腔成为一体，例如，作为对真空容器结构的额外的加强。

由内部负载传递构件支撑的负载可以包括重力负载(即，由于磁体结构的重量)和/或电磁负载(即，由于作用于磁体结构上的电磁力)。预计在环向场磁体工作期间，电磁负载将明显高于重力负载。

图1示出根据一个实施例的示例性HTS场线圈、低温恒温器和支撑结构。HTS场线圈11通过冷却系统(未示出)冷却到30K，并且位于真空容器12中，真空容器12处于室温(约300K)下。隔热罩13位于HTS场线圈和真空容器之间，该隔热罩13也通过冷却系统(未示出)冷却。这种冷却可以达到77K，例如，通过液氮(或通过氢或氦)。

给出的温度仅作为示例。HTS场线圈可以被冷却到低于磁体的临界温度的任何温度(取决于应用)，隔热罩可以处于介于真空容器的温度和HTS场线圈的温度之间的任何温度。可以在真空容器和HTS场线圈之间设置处于递减的温度下的多个隔热罩。还将理解的是，“室温”可能不精确地意味着300K，而是旨在覆盖约270K以上的任何温度。

HTS场线圈由内部负载传递构件14和15支撑。下部内部负载传递构件14连接到磁体的基部和真空容器的基部。上部内部负载传递构件15连接到磁体的顶部和真空容器的上部内表面。内部负载传递构件14和15都穿过隔热罩，支撑件中将存在从室温(它们与真空容器12连接处)到HTS工作温度(它们与HTS场线圈11连接处)的温度梯度。内部负载传递构件将由场线圈上的EM力产生的负载传递到真空容器。来自于EM力的负载将通常在场线圈的平面上，并且从场线圈向外(一些环向负载来自于环向场线圈中的电流与极向场之间的相互作用)。

外部支撑件16接附到真空容器12的外部上表面，以承受由上部内部负载传递构件15施加的负载。外部支撑件16和上部内部负载传递构件15可以仅接附到真空容器12，或它们可以通过穿过真空容器12的结构接附到彼此，只要这种结构保持真空容器12的密封。例如，一个或多个螺栓可以通过真空容器12中的孔将内部负载传递构件15接附到外部支撑件16，并且可以在内部负载传递构件15与真空容器12之间和/或在外部支撑件16与真空容器12之间提供密封，以避免通过螺栓孔泄漏。作为另一示例，内部负载传递构件和外部支撑构件可以一起包括穿过真空容器的支柱(即，具有用作内部负载传递构件的内部区段和用作外部支撑构件的外部部分)。外部支撑件支撑由内部负载传递构件施加到真空容器上的负载。

如图1所示，外部支撑件可以被设置成真空容器外部的框架或其它结构16，或者它可以与真空容器成为一体，例如通过使用加强真空容器，该加强真空容器构造成支撑由内部负载传递构件传递的负载。外部支撑件可以包括真空容器外部的对真空容器的加强件和支撑结构的组合。

应当理解的是，穿过隔热罩的负载传递构件通常与其热连接。这可以通过柔性连接来完成，使得机械负载仍然被传递到室温，但是一些传导热在更有效的较高温度下被除去。例如，中间热连接件可以将内部负载传递构件热(但是不在机械上)连接到液氮温度屏蔽。这施加了很高的热负载，但这并不重要，因为在77K下的冷却很便宜。这允许内部负载传递构件的靠近HTS线圈的区段处于降低的温度，减小了在冷却更昂贵的低温下的热负载。中间热连接件可以包括两个隔热块之间的金属板，其构成内部负载传递构件。

内部负载传递构件14和15各自用于支撑场线圈11。各内部负载传递构件上的力的方向定义了该构件的负载轴线。

内部负载传递构件14和15可以具有任何合所适的负载承载结构，并且可以具有任何足够坚固的非磁性材料。内部负载传递构件的结构及其与场线圈的接附将取决于场线圈的形状，但这对于本领域技术人员而言正好在正常设计工作的范围内，特别是因为不需要考虑对支撑件的冷却(与传统的冷却式支撑件不同)。

例如，如图2所示，场线圈21是具有中心柱和多个返回分支的环向场线圈，内部负载传递构件24和25可以是固定到中心柱的顶部和底部的柱。内部负载传递构件24和25可以由层压材料构成，其中层压片垂直于负载轴线。一种合适的层压材料由G10或G11玻璃纤维环氧树脂层压片构成。附加的内部负载传递构件27可以接附到返回分支。这些附加的负载传递构件27特别有利于支撑场线圈抵抗电磁力。内部负载传递构件穿过隔热罩23到达真空容器22。还可以设置外部支撑框架26，以支撑来自于内部负载传递构件27、25的负载，地面作为内部负载传递构件24的外部支撑件。同样，该外部框架26有利于提供支撑以抵抗环向场线圈经受的非常可观的电磁力。将理解的是，可以为极向场线圈(图2中未示出)设置类似的布置。

如上所述，这种支撑件可以用于聚变反应堆，例如球形托卡马克反应堆。球形托卡马克装置包括环向等离子体腔、如上所述的环向场线圈和至少两个极向场线圈，该极向场线圈是位于与中心柱垂直的平面上的圆形场线圈。利用用于等离子体腔和极向场线圈的合适的附加支撑件，图2所示的支撑结构可以用于这种反应堆。例如，极向场线圈和等离子体腔可以设置有将它们连接到真空腔的附加的内部负载传递构件，它们可以机械地连接到环向场线圈，并且由与支撑环向场线圈的支撑构件相同的支撑构件支撑，或可以使用这两种方法的一些组合。在极向场线圈上使用支撑结构的优点相对较少，因为极向场线圈上的力通常低于环向场线圈上的力，并且通常是轴对称的。

Claims (18)

1.一种用于场线圈的支撑结构，该场线圈包括高温超导体，HTS，所述支撑结构包括：

内部负载传递构件，被构造成一端接附到所述场线圈而另一端接附到包含所述场线圈的真空容器的内表面，并且被构造成支撑所述场线圈以抵抗作用在所述场线圈上的电磁力；

其中，所述内部负载传递构件的至少一部分被构造成在所述场线圈工作期间保持在室温下。

2.根据权利要求1所述的支撑结构，还包括被构造成支撑所述内部支撑构件的外部支撑构件，其中，所述外部支撑构件与所述真空容器成为一体或接附到所述真空容器的外表面。

3.根据上述权利要求中任一项所述的支撑结构，其中，所述内部负载传递构件被构造成接附到所述真空容器的上部内表面和所述场线圈的上部部分。

4.根据上述权利要求中任一项所述的支撑结构，其中，所述内部负载传递构件包括层压材料，所述层压材料的平面垂直于所述内部负载传递构件的负载轴线。

5.根据权利要求4所述的支撑结构，其中，所述层压材料是玻璃纤维环氧树脂材料。

6.根据上述权利要求中任一项所述的支撑结构，其中，所述场线圈是用于将等离子体限制在托卡马克装置中的环向场线圈，并且所述内部负载传递构件被构造成接附到所述环向场线圈的中心柱的上部部分。

7.根据上述权利要求中任一项所述的支撑结构，其中，所述场线圈是用于将等离子体限制在托卡马克装置中的环向场线圈，并且所述内部负载传递构件被构造成接附到所述环向场线圈的返回分支。

8.根据上述权利要求中任一项所述的支撑结构，其中，所述场线圈是用于将等离子体限制在托卡马克装置中的极向场线圈。

9.一种用于场线圈的低温恒温器，该场线圈包括高温超导体，HTS，所述低温恒温器包括：

根据上述权利要求中任一项所述的支撑结构；

包围所述内部支撑构件和所述场线圈的真空容器。

10.根据权利要求9所述的低温恒温器，还包括位于所述真空容器和所述场线圈之间的隔热罩，所述隔热罩被构造成用于冷却到介于所述场线圈的温度与所述真空容器的温度之间的中间温度，其中，所述内部负载传递构件穿过所述隔热罩。

11.根据权利要求10所述的低温恒温器，被构造成使用液氮冷却所述隔热罩。

12.一种超导磁体，包括：

根据权利要求9至11中任一项所述的低温恒温器；

包括高温超导体，HTS，的场线圈；和

冷却系统，被构造成将所述场线圈冷却到低于所述HTS的临界温度的温度。

13.根据权利要求12所述的超导磁体，其中，所述内部负载传递构件不直接被所述冷却系统冷却。

14.根据权利要求12或13所述的超导磁体，还包括：所述低温恒温器外部的外部支撑框架，以及用于将负载从所述内部负载传递构件传递到所述外部支撑框架的一个或多个外部支撑件。

15.一种核聚变反应堆，包括：

根据权利要求9至11中任一项所述的低温恒温器；

包括高温超导体，HTS，的环向场线圈，所述内部负载传递构件接附到所述环向场线圈；

包括HTS的两个或多个极向场线圈；

球形托卡马克装置等离子体腔；和

冷却系统，被构造成将所述环向场线圈和所述极向场线圈冷却到低于所述HTS的临界温度的温度。

16.根据权利要求15所述的核聚变反应堆，还包括接附到所述极向场线圈的第二内部负载传递构件。

17.一种超导磁体，包括：

包括高温超导体，HTS，的场线圈；

冷却系统，用于将所述场线圈冷却到低于所述HTS的临界温度的温度；

包含所述场线圈的真空容器；

内部负载传递构件，被构造成一端接附到所述场线圈而另一端接附到包含所述场线圈的真空容器的内表面，并且被构造成支撑所述场线圈以抵抗作用在所述场线圈上的电磁力；

其中，所述内部负载传递构件的至少一部分被构造成在所述场线圈工作期间保持在室温下。

18.根据权利要求17所述的超导磁体，其中，所述场线圈是用于将等离子体限制在托卡马克装置中的环向场线圈或极向场线圈。