CN110494925B - 超导磁体中的淬火保护 - Google Patents

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Abstract

一种环形场线圈，包括中心柱、多个返回分支、淬火保护系统和冷却系统。中心柱包含高温超导材料。每个返回分支包括可淬火区段、两个高温超导区段和淬火系统。可淬火区段包括超导材料，并且被配置为增大环形场线圈的磁场。高温超导区段包含高温超导材料。高温超导区段将可淬火区段电连接到中心柱，并与中心柱和可淬火区段串联。淬火系统与可淬火区段相关联并且配置成对可淬火区段淬火。淬火保护系统配置成检测环形场线圈中的淬火，并且响应于对淬火的检测，使淬火系统对一个或多个可淬火区段中的超导材料淬火，以便将能量从环形场线圈中转储到一个或多个可淬火区段中。冷却系统配置成将每个可淬火区段冷却到超导材料具有超导性能的温度。每个可淬火区段具有热容量和电阻率，所述热容量足以使当能量从环形场线圈转储到可淬火区段时，可淬火区段的温度保持低于第一预定温度，并且所述电阻率足以引起磁体的电流足够快地衰减，使得高温超导区段的淬火部分的温度保持低于第二预定温度。

Description

超导磁体中的淬火保护
技术领域
本发明涉及超导磁体。更具体地，本发明涉及用于对这种磁体进行淬火保护的方法和设备，尤其涉及对用于核聚变反应堆的磁体进行淬火保护的方法和设备。
背景技术
超导磁体是由超导材料的线圈形成的电磁体。由于磁体线圈具有零电阻，所以超导磁体可以在零损耗的情况下承载较高电流(但是非超导元件会导致有一些损耗)，因此可以实现具有比传统电磁体更低损耗的较高磁场。
超导性仅发生在某些材料中，并且仅在低温下发生。超导材料将在由超导体的临界温度(在零施加磁场中材料是超导体的最高温度)和超导体的临界场(该材料在0K下是超导体的最高磁场)限定的区域中表现为超导体。超导体的温度和存在的磁场限制了在超导体未具有电阻(或“正常”，在此用于表示“不是超导”)的情况下超导体可以承载的电流。有两种类型的超导材料：I型超导体完全排除磁通量穿透并具有较低的临界场，II型超导体允许磁通量在称为通量涡流的局部正常区域内穿透超导体，高于较低的临界场。它们在较高临界场下不再是超导的。该特征使它们能够用于构造超导磁体的导线中。已经做出了相当大的努力来将通量涡流位置固定到原子晶格上，这改善了在较高磁场和温度下的临界电流。
从广义上讲，有两类II型超导体。低温超导体(LTS)通常具有低于20K的临界温度(没有外部磁场)，并且高温超导体(HTS)通常具有高于40K的临界温度。许多目前的高温超导材料的临界温度高于77K，这允许使用液氮进行冷却。然而，本领域技术人员将理解，低温超导材料和高温超导材料通过除临界温度之外的标准来区分，并且高温超导材料和低温超导材料是某些类别材料的技术术语。通常(但不是唯一地)，高温超导材料是陶瓷，低温超导材料是金属。
在超导磁体中可能出现的一个问题是淬火。当超导导线或线圈的一部分进入电阻状态时发生淬火。这可能由于温度或磁场的波动，或超导体中的物理损坏或缺陷(例如，如果磁体用于核聚变反应堆中则通过中子辐射会导致超导体中的物理损坏或缺陷)而发生。由于磁体中存在较高电流，即使超导体的一小部分变得具有电阻时，它也会迅速升温。所有超导导线都配有一些铜稳定剂，以用于淬火保护。如果超导体变得正常，则铜为电流提供替代路径。存在的铜越多，在淬火导体的区域周围形成的热点中的温度升高越慢。
在低温超导磁体中，当发生淬火时，“正常区域”将以大约每秒几米的速度快速传播。这是由于所有材料在低温下的低热容量以及低温超导材料通常在更接近其临界温度时操作而发生的。这意味着淬火在低温超导磁体中快速传播，并且在淬火中消散的存储的磁场能量将遍布磁体，使其升温。
在高温下操作的高温超导材料具有更高的比热容，因此使一部分导线达到正常状态所需的能量要大得多。这意味着高温超导磁体中的淬火比低温超导磁体中的淬火更不可能。然而，这也意味着与低温超导磁体中的每秒数米的速度相比，正常的区域传播速度要慢得多，大约为每秒几毫米。由于淬火最初只会影响较小体积的磁体，因此只有该区域具有电阻，因此淬火期间消耗的能量将被转储到该较小的体积中(或者更具体地说，传输到来自正常区域的电流被转移到的铜中)。这种能量的集中会对高温超导带造成永久性损坏，例如：熔化，电弧放电等。因为高温超导磁体通常是间接冷却的，而不是浸没在液体冷却剂的槽中，所以这进一步复杂化，因此与低温超导磁体相比，“点”冷却功率降低。
存储在磁场中的能量由下式给出：
即磁通密度越大，体积越大，则磁体的存储能量越大。较大的磁体释放的能量的数量级可以与一捆炸药相似。对于低温超导磁体，这种能量可以消散，从而加热整个磁体。对于没有淬火保护的高温超导磁体，该能量可以在磁体的体积的一小部分中消散。通常，较大的高温超导磁体将需要包括检测阶段和随后的消散阶段的主动淬火保护系统，在检测阶段期间，在发生极大的加热之前检测淬火，在随后的消散阶段期间，磁体电流在热点温度上升太高之前快速下降。
迄今为止构造的大多数高温超导磁体(使用BSCCO和ReBCO涂层导体)实际上没有淬火保护。这是因为它们大多是较小的、低成本的原型，存储的能量很少，并且因为精心设计的高温超导磁体中的淬火应该具有非常低的概率，如上所述。因此，决定是否淬火保护高温超导磁体基本上是经济的方案：较小的原型磁体可以在其淬火的极少数情况下相对容易地进行修复。因此，高温超导磁体的淬火保护技术仍然不成熟。
高温超导磁体的一个应用是在托卡马克核聚变反应堆中。托卡马克装置具有较强的环形磁场、较高的等离子体电流和通常较大的等离子体积和极大的辅助加热的组合，以提供热稳定的等离子体，从而可以发生核聚变。辅助加热(例如通过数十兆瓦的高能H、D或T的中性束注入)对于将温度升高到发生核聚变所需的足够高的值和/或维持等离子体电流是必要的。
问题在于，由于通常需要较大的尺寸、较大的磁场和较高的等离子体电流，所以构造成本和运行成本很高，并且工程必须坚固以应对磁体系统和等离子体中存在的较大的存储能量，较大的存储能量具有“破坏”的习惯，即在几千分之一秒的剧烈不稳定中，兆安培电流减少到零。
通过将传统托卡马克装置的环形圆环收缩到其极限，具有有心的苹果的外观，即“球形”托卡马克装置(ST)，可以改善这种情况。在Culham的START托卡马克装置中首次实现这一概念表明效率大幅提高，即需要包含热等离子体的磁场可减少10倍。此外，等离子体的稳定性得到改善，并降低了构造成本。
为了获得经济的发电所需的核聚变反应(即比功率输入具有更多的功率输出)，传统的托卡马克装置必须是巨大的，以便能量约束时间(大致与等离子体的体积成比例)可以足够大，以便等离子体可以足够热以进行热核聚变。
WO2013/030554描述了另一种方法，涉及使用紧凑的球形托卡马克装置作为中子源或能量源。球形托卡马克装置中的低纵横比的等离子体形状改善了颗粒约束时间，并允许在更小的机械中净发电。然而，较小直径的中心柱是必需的，这对等离子体约束磁体的设计提出了挑战。
高温超导磁体对托卡马克装置的主要吸引力是高温超导磁体在强磁场中携带较高电流的能力。这在紧凑的球形托卡马克装置(STs)中尤其重要，其中中心柱的表面上的通量密度将超过20T。第二个好处是高温超导磁体在比低温超导磁体更高的温度下，例如约20K，在较高磁场中承载较高电流的能力。这使得能够使用更薄的中子屏蔽件，导致中心柱的更高的中子加热，这将妨碍使用液氦(即：在4.2K或更低的温度下)的操作这又使得能够考虑设计具有小于约2m，例如约1.4m，的等离子体主半径的球形托卡马克装置；这样的装置将回收其百分之几的功率输出以用于低温冷却。
然而，这种磁体比先前使用高温超导材料设计的磁体大得多。到目前为止，用于甚至相对较小的托卡马克装置的环形场(TF)磁体也是迄今为止最大的高温超导磁体，并且代表了甚至按照低温超导标准也具有较高储能的大型磁体。可以处理导体中的临界电流退化的彻底开发的淬火保护系统是必不可少的。对于以60cm的主半径操作的球形托卡马克装置的TF磁体(约4.5T)的存储能量为150MJ-200MJ，用于140cm的托卡马克装置的TF磁体(约3T)将超过1200MJ。
淬火保护系统的作用是通过检测从超导体到铜稳定剂的电流传输，在启动后或在开始前尽快检测局部淬火或“热点”，以最小化损坏，并打开断路器，将磁体的存储能量转储到电阻负载中。能量转储可以通过在室温下使电流传输通过磁体的低温恒温器外部的电阻器来实现，或者通过加热磁体的“冷块体”以使其具有电阻来实现，可选地使用磁体自身存储的能量来更快地将淬火人工传播通过超导线圈(使能量通过整个磁体消散，整个磁体逐渐升温，而不是导致热点温度急剧上升)。因为淬火整个磁体所需的热远大于低温超导磁体，并且在实践中难以实现，所以在高温超导磁体中的人工传播是困难的。
E3SPreSSO系统由CERN开发，详见“E3SPreSSO：用于高场超导磁体的淬火保护系统”(https：//edms.cern.ch/ui/#！master/navigator/document？D：1052094071：1052094071：subDocs)，通过提供与高温超导线圈串联的一个或多个非感应缠绕低温超导线圈，避免了高温超导磁体中的人工淬火传播所具有的问题。当在高温超导区段中检测到淬火(热点)时，低温超导线圈可以快速淬火(使用加热器或其他机构，例如CERN开发的CLIQAC损耗方法)以确保磁体的存储能量被转储到低温超导线圈而不是高温超导线圈。如上所述，低温超导线圈中的淬火通常是非破坏性的，并且非感应的缠绕低温超导线圈可以设计成使得由能量转储引起的温度上升太小而不会造成任何损坏。E3SPreSSO的方法将转储电阻器和断路器的功能结合到冷低温超导区段中，并将它们移动到磁体的低温恒温器内部，或者移动到热连接的单独的低温恒温器中。
因此，E3SPreSSO单元的操作非常类似于超导开关，超导开关通常用于在用于磁共振应用的持久模式低温超导磁体中闭合超导磁体电路。然而，因为这种开关不用作能量转储器，所以这种开关的热容量很低。将高温超导磁体的能量转储到已知的低温超导开关中可能会导致其熔化，从而对开关和任何附近的部件造成严重损坏。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种环形场线圈。环形场线圈包括中心柱、多个返回分支、淬火保护系统和冷却系统。中心柱包含高温超导材料。每个返回分支包括可淬火区段、两个高温超导区段和淬火系统。可淬火区段包括超导材料，并且被配置为增大环形场线圈的磁场。高温超导区段包含高温超导材料。高温超导区段将可淬火区段电连接到中心柱，并与中心柱和可淬火区段串联。淬火系统与可淬火区段相关联并且配置成对可淬火区段淬火。淬火保护系统配置成检测环形场线圈中的淬火，并且响应于对淬火的检测，使淬火系统对一个或多个可淬火区段中的超导材料淬火，以便将能量从环形场线圈中转储到一个或多个可淬火区段中。冷却系统配置成将每个可淬火区段冷却到超导材料具有超导性能的温度。每个可淬火区段具有热容量和电阻率，所述热容量足以使当能量从环形场线圈转储到可淬火区段时，可淬火区段的温度保持低于第一预定温度，并且所述电阻率足以引起磁体的电流足够快地衰减，使得高温超导区段的淬火部分的温度保持低于第二预定温度。
根据本发明的另一方面，提供了一种环形场线圈。环形场线圈包括中心柱和多个返回分支，所述多个返回分支包括多匝高温超导材料。中心柱包括低温超导芯部和高温超导外层。低温超导芯部包括低温超导材料并且被配置为增大环形场线圈的磁场。高温超导外层围绕低温超导芯部并包含高温超导材料。低温超导芯部与至少一些匝的返回分支串联，并且包括淬火系统，该淬火系统被配置成在低温超导芯部中引起淬火。环形场线圈还包括淬火保护系统和冷却系统。淬火保护系统配置成检测淬火，并且响应于对淬火的检测，使淬火系统对低温超导芯部淬火，以便将来自环形场线圈的能量转储到低温超导芯部中。冷却系统配置成将低温超导芯部冷却到低温超导材料具有超导性能的温度。低温超导芯部具有热容量和电阻率，当能量从环形场线圈转储到低温超导芯部中时，热容量足以使低温超导区段的温度保持低于第一预定温度，并且电阻率足以使磁体的电流足够快地衰减，使得高温超导区段的淬火部分的温度保持低于第二预定温度。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于球形托卡马克装置的极向场线圈组件。极向场线圈组件包括第一极向场线圈、第二极向场线圈、淬火系统、淬火保护系统和冷却系统。第一极向场线圈包括高温超导材料。第二极向场线圈包括低温超导材料并且与第一极向场线圈串联连接。淬火系统与第二极向场线圈相关联，并被配置为对第二极向场线圈进行淬火。淬火保护系统被配置为检测第一极向场线圈中的淬火，并且响应于对淬火的检测，使淬火系统对第二极向场线圈中的低温超导材料淬火，以便将存储的磁能转储到第二极向场线圈中。冷却系统配置成将第二极向场线圈冷却到低温超导材料具有超导性能的温度。第二极向场线圈具有热容量和电阻率，热容量足以在能量转储到第二极向场线圈中时，使低温超导材料的温度保持低于第一预定温度，并且电阻率足以使磁体的电流足够快地衰减，使得第一极向场线圈的淬火部分的温度保持低于第二预定温度。
根据本发明的又一方面，提供了一种核聚变反应堆，所述核聚变反应堆包括根据任何上述方面的环形场线圈和/或极向场线圈组件。
本发明的其他实施方案在权利要求2等中列出。
附图说明
图1A和1B是根据一个实施例的示例性环形场线圈的示意图；
图2A和2B是可淬火的高温超导区段的示意图；
图3是可淬火的高温超导区段的示意图；
图4是不锈钢和铜的热容量相对于温度的曲线图；
图5是不锈钢和铜的电阻率相对于温度的曲线图；
图6是淬火检测后温度和电流随时间变化的曲线图；
图7是根据一个实施例的返回分支的温度的曲线图；
图8是根据一个实施例的接头的示意图；
图9是根据一个实施例的返回分支的区段的示意图。
具体实施方式
正如最初提出的那样，E3SPreSSO线圈不增大磁场，被无感应地缠绕。在加速器磁体中，高温超导线圈通常以插入线圈的形式使用，该插入线圈嵌套在较大的Nb3Sn低温超导线圈内以增强偶极磁体的磁场。在这种情况下，它们将在液氦(LHe)中在4.2K或更低的温度下操作。E3SPreSSO线圈可以与高温超导磁体和低温超导磁体共用低温恒温器和/或冷却装置。
当应用于托卡马克装置时，可以对E3SPreSSO系统进行一些改进。托卡马克装置的环形场线圈具有特征“D形状”和单独的返回分支，“D形状”的直线部分聚集在中心柱中，在中心柱中，它们的磁场叠加，并且单独的返回分支的磁场被相对隔离。这导致中心柱处的净场远远大于远离中心柱的返回分支中的场。此外，至关重要的是保持托卡马克装置的中心柱的直径尽可能小，如此中心柱中的空间非常宝贵，但对返回分支中的空间的限制不太严重。这开辟了将类似于E3SPreSSO的可淬火区段作为返回分支的一部分的可能性。该可淬火区段可以是低温超导区段或高温超导区段，如下所述。
因为高温超导区段具有比低温超导区段高几个数量级的最小淬火能量，所以本领域技术人员以前认为使用故意淬火的高温超导区段是不可行的。因此，故意对高温超导线圈的大部分淬火需要从加热器注入较大的能量脉冲，该加热器紧密地热连接到线圈中的高温超导带，使得温度可以在几毫秒内在线圈的大部分上升高。线圈绕组内的加热器的存在降低了工程电流密度。如果这些线圈增大磁场，那么磁体的特斯拉每安培效率将严重降低。然而，因为返回分支仅需要有效地为中心柱提供返回电流路径，并且不会显著地增大等离子体主半径处的通量密度，所以在环形场线圈的返回分支中，高温超导带的工程电流密度不太重要因此，可以将线圈中的高温超导带隔开，从而允许产生在带之间插入加热器的空间，加热器紧密热连接到带。甚至，实际上有利的是将臂中的高温超导带在一定程度上展开以减少返回分支中的峰值B场。
或者，返回分支处的较低的场将允许廉价的NbTi(或在适当温度下的其他低温超导导体)在6K或更低温度下用于返回分支的较低的场的部分，同时在返回分支的具有最高的磁通密度的部分和中心柱中保留高温超导区段。与所公开的E3SPreSSO概念相比，返回分支的低温超导部段确实增大磁体的磁场。因此低温超导部段具有电感。在主半径较大(>约2-3m)的ST装置中，超导中心柱和等离子体之间将有足够的径向空间以用于中子屏蔽件，中子屏蔽件足够厚以允许在用于NbTi的6K或更低的相同温度下操作整个磁体，整个磁体包括高温超导部段和低温超导部段。然而，具有约1.4m-2m的等离子体半径的较小装置被认为提供最优成本/性能。在这种情况下，中子屏蔽件太薄，不能像低温超导返回分支那样在(6K或更低的)相同温度下低成本地冷却高温超导中心柱。因此，高温超导中心柱优选在6K至20K的范围内在比低温超导区段更高的温度下操作。这又需要返回分支的水平高温超导部分沿着它们具有温度梯度，并且作为电流引线而操作。具有从中心柱到返回分支中的低温超导部段的热的净流动，该热的净流动必须最小化，以使整个低温冷却功率保持小于产生的核聚变功率的百分之几。
快速淬火保护方法，例如E3SPreSSO中使用的CLIQ加热器，将直接一体形成在返回分支的低温超导部分内，以便在检测到高温超导部段中的任何一个的淬火时同时对它们淬火。可以看出，这种创新带来了一些其他优点。
在任何一种情况下，基本概念都是相同的，即返回分支可以包括超导材料，并且构造成使得它们具有足够的热容量来吸收磁体的存储能量，并提供如下的装置，该装置在环形场线圈中检测到热点时“按需”对那些返回分支的超导材料淬火。
两种方法之间的主要区别在于当在磁体中的任何位置检测到热点时对返回分支快速淬火所需的热量。事实上，高温超导区段的最小淬火能量比低温超导区段高几个数量级，这意味着与低温超导线圈相比，高温超导线圈本质上是稳定的。实际上，众所周知特别是在磁体升温期间低温超导线圈易于自发淬火。在高温超导磁体中未观察到这种情况。出于这个原因，优选在可淬火区段中使用高温超导区段，但这必须与高温超导区段的额外成本和根据需要对可淬火区段淬火所需的基本上更高的加热器功率相平衡。
图1A是通过紧凑的球形托卡马克装置的横截面(正视图，半截面)的示意图。托卡马克装置包括等离子体约束磁体，等离子体约束磁体能够在1.4m的范围内在主半径RP处产生3特斯拉-4特斯拉的静态环形磁通密度BT。为了产生该场，大约20MA-30MA的电流必须在环形场(TF)磁体100的中心柱101中轴向流动。图1A示出了TF磁体101的一个线圈：应当理解，具有在托卡马克装置周围以方位角排列的许多这种线圈。图1还示出了TF线圈的返回分支102和极向场线圈107，极向场线圈107产生用于控制等离子体电流的位置和稳定性的轴向磁场。
通过峰值磁应力并且提供足够的铜稳定剂以限制高温超导区段淬火期间的热点温度的上升速率将用于先导磁体的超导芯部102的最小半径限制为大约20cm-25cm。这留下约40cm的径向空间103以用于等离子体室104和磁体低温恒温器以及中子屏蔽件105的热绝缘。在该半径处，芯部中所需的工程电流密度Je为约150A/mm2-200A/mm2且芯部的表面处的峰值磁通密度为20T-25T。
图1B是环形场磁体的更示意性的横截面，图1B更详细地示出了两个返回分支102。虽然图1B中示出了具有基本上矩形横截面的返回分支，但是本领域技术人员将理解，许多其他横截面是可能的，包括图1A的D形横截面。环形场磁体包括中心柱101和多个返回分支102。每个返回分支包括一个或多个高温超导区段112和一个“可淬火”区段122(这里的“可淬火”应理解为“可根据需要淬火”)。提供接头132以连接高温超导区段和可淬火区段。可淬火区段与高温超导区段串联设置，并且配置成使得它可以根据需要(例如使用加热器或本领域已知的其他电磁/AC损耗装置)淬火。
可淬火区段122可以包括低温超导材料。这允许磁体的一些高温超导材料被低温超导材料替换，降低了系统的导线成本，但增加了低温冷却的成本。低温超导材料优选为NbTi，NbTi需要冷却至6K或更低。在较小的ST中，用于中子屏蔽件的径向空间有限(如图1A所示)，高温超导中心柱以高于低温超导区段的温度工作。
可选地，可淬火区段122可以包括高温超导材料。这避免了低温超导区段中出现不希望的淬火的较大可能性，以及避免了低温超导的增加的冷却功率需求。高温超导可淬火区段可以在与环形场线圈的较高场区段(例如中心柱，和返回分支的其他区段)相同的温度下操作。
现在将描述包括低温超导可淬火区段的示例性环形场线圈。环形场线圈具有图1B所示的结构，即矩形横截面，其中低温超导可淬火区段122设置在返回分支的竖直部分上，但是应当理解，相同的考虑适用于任何几何形状。出于便于描述该模型的目的，忽略了关节132的影响。
低温超导区段冷却至6K或更低。在这个例子中，我们假设低温超导区段冷却到4.2K，但是可以有各种选择，例如通过浸入在大气压(4.2K)下沸腾的液氦槽中，通过直接或间接氦气蒸汽冷却(＞4.2K)，或通过使用电缆管道法(<＝4.2K)进行过冷LHe，以将低温超导区段冷却到4.2K。通过冷冻剂从氦冷却剂中除去热。在需要冷却高温超导中心柱的情况下，相同的低温设备可以适用于冷却低温超导和中心柱，或者在较大的环形场线圈中冷却到相同的温度，或者优选地在较小的环形场线圈中，例如在球形托卡马克装置中(即低温设备可适于提供到多个温度的冷却)冷却到更高的温度，例如10K-20K。返回分支的水平部件112是在铜基质中的高温超导区段，是实现淬火稳定性所必需的，并且充当高温超导中心柱和低温超导区段之间的热电流引线。水平部件的温度将从水平部件接触低温超导区段时的4.2K变化到水平部件接触中心柱时的10K-20K。根据电流引线区段的长度、铜和其他稳定剂材料的使用量，从高温超导中心柱到4.2K下的低温超导区段的总热泄漏将介于100W和几kW之间。将低温超导区段维持在4.2K所需的冷冻剂功率从小于0.5MW到几MW不等，这小于较小的ST的预测的核聚变功率输出的5％。
现在将描述包括高温超导可淬火区段的示例性环形场线圈。环形场线圈具有图1B所示的结构，即矩形横截面，其中高温超导可淬火区段122设置在返回分支的竖直部分上，但是应当理解，相同的考虑适用于任何几何形状。出于便于描述该模型的目的，忽略了关节132的影响。
高温超导可淬火区段的温度必须足以使这些区段中的高温超导材料变成超导体。每个高温超导可淬火区段都具有位于该区段中的连同每个高温超导带放置的加热条带，这样所有的高温超导带都可以同时淬火。可选地，在高温超导可淬火区段的任何一端可以存在一些边缘，在该边缘中没有设置加热器。加热器可以是加热条带(例如，涂有聚酰亚胺薄膜或以其他方式绝缘的不锈钢带)的形式，该加热条放置在(根据所需的电缆几何形状定向的)成对的高温超导带之间。图2A和2B示出了这种情况的一个例子，其中包括基板202a和高温超导层202b的高温超导带202以0型对的形式200放置，即相邻条带的高温超导层202b彼此面对放置，在它们之间有一层厚的铜层204并在两侧具有铜悬伸部205(它为相邻的0型对提供电流路径)。具有绝缘涂层203的加热条带201放置在每个0型对的高温超导带202之间，并嵌入较厚的铜层中。图2A示出了单个0型对，其中嵌入有加热器201，图2B示出了这种层的堆叠。
加热条带201应该非感应地连接，以便可以在短时间内驱动较大的电流脉冲通过加热条201。图3示出了实现此目的的布置。每个0型对200在每一端具有铜连接器301(铜连接器301用于连接到环形场线圈的其他区段)。加热条带201通过与铜绝缘的导线302连接，使得电流的方向从一个加热条带交替变换到下一个加热条带(例如，电流在第一加热条带和第三加热条带中向上流动，并在第二加热条带和第四加热条带中向下流动)。第一加热条带和最后的加热条带通过开关303连接到电容器组304，电容器组304提供所需的电流脉冲。
在每对高温超导带之间添加加热条带增加了每对带之间的电阻率，并且当淬火期间或在磁体的升温期间当电流在高温超导带之间移动时，这增加了损耗。这可以通过增加带堆叠的边缘处的铜悬伸部205的厚度(即垂直于带的厚度)来补偿。
在用于对高温超导线圈淬火的加热器的已知用途中(例如在NMR磁体插入件中)，工程(净)电流密度不能被显著地稀释，如此必须在加热高温超导线圈的能力和净电流密度之间达成折衷。在托卡马克装置的情况下，因为工程电流密度不是返回分支的重要考虑因素，所以可以使用最优加热器布置，在最优加热器布置中，存在与高温超导可淬火区段的每个带紧密热接触的加热器。
在可淬火区段中对高温超导材料淬火所需的热将是相当大的，如果在环形场线圈中的任何部位处检测到淬火，则可以通过电容器组和快速动作开关来提供能量以驱动较大的电流脉冲通过加热开关。
该技术与淬火传播的不同之处在于，在环形场线圈中检测到淬火的任何地方，对可淬火区段中的高温超导材料淬火，例如在中心柱中检测到的淬火响应于对可淬火区段中的高温超导材料进行的淬火而成较小的局部热点的形式，而不是试图传播最初检测到的淬火。
为了有效地从磁体中转储能量，可淬火区段122必须具有电阻和热容量，电阻在非超导性能(“正常电阻”)时足够高以快速地减小磁体中的电流，并且热容量足够高以一定在没有熔化并且优选地不会上升太高于室温的情况下，吸收磁体的存储能量。高温超导材料淬火时的热点温度将由可淬火区段的正常电阻决定(部分由所选材料的电阻率决定)，并且可淬火区段中的超导体的最高温度将主要由可淬火区段的热容量确定。由于在这个例子中可淬火区段的长度受到限制(并且通常在某种程度上受到限制以避免将低温超导材料放置在高场区域中，或者为了避免在空间受限的区域中使用加热器)，这些是相互矛盾的要求。通过增加可淬火区段的横截面(例如通过增加可淬火区段中的非超导稳定剂的横截面)可以增加热容量，但是这也会降低正常电阻。使用除铜之外的材料作为非超导稳定剂可以在不会使正常电阻太低的情况下提供增加的热容量。例如，如图4和5所示，不锈钢(401)的热容量与铜(402)的热容量相似，但不锈钢(501)的电阻率高于铜(502)的电阻率。通常，金属的电阻率与体积热容量的比率大于铜的比率的金属是合适的。
除铜稳定剂外，还可加入非铜稳定剂，例如通过在不锈钢基质中提供1∶1的比率的Cu：超导体或其他市售铜稳定的超导体如果线圈的所有能量都被转储到可淬火区段中，则应加入足够的不锈钢以将超导体的温度限制在特定值，例如300K。电流衰减将取决于可淬火区段的与电感和温度相关的电阻使用1∶1的Cu：NbTi(NbTi是常见的低温超导材料)的超导体的这种结构可能将淬火期间的高温超导热点温度限制到大约100K，如图6的模拟所示，图6显示用于模拟淬火的电流(601)、峰值高温超导热点温度(602)和峰值NbTi温度(603)使用较低Cu：超导体的比率的超导体的构造可以允许进一步降低峰值高温超导热点温度，例如，在0.1∶1的Cu：超导体的情况下，峰值高温超导热点温度降低至约50K，但这必须与保持可淬火区段的稳定性的需要相平衡
使用常规高温超导线圈的环形场磁体将被设计成具有少量匝，每匝承载高电流(例如：12个线圈，每个线圈有20匝，对于具有1.4m的主半径的约3T的场，每匝承载约100kA的电流)。这种方法可以最大限度地降低电感，从而在磁体电流被快速断电时最大限度地降低外部转储电阻器上产生的电压。快速转储用来限制热点温度，但是导致较高的dI/dt并因此导致高电压(＝L.dI/dt)即使在100kA的工作电流下，具有1.4m的主半径的TF磁体的电感约为240mH，对于约为1s的转储时间，转储电阻器两端的峰值电压约为24kV。这可以通过将单个转储电阻器分成分布在线圈区段之间的若干单独的较低值的电阻器来被减少，例如：针对每个TF线圈分布一个单独的较低值的电阻器对于具有12个线圈的TF磁体，这将峰值电压从示例降低到2kV，2kV是较高的但可容忍的。然而，每个单独的TF线圈然后需要穿过低温恒温器的一对100kA的电流引线，该电流引线的一端处于磁体的温度而另一端处于室温。这种引线非常庞大且昂贵，占据托卡马克装置周围的宝贵空间，托卡马克装置是中性束加热等所需的。此外，在正常操作期间，整个磁体电流必须通过非超导断路器以绕过转储电阻器。这些断路器引入了极大的功率损耗。它们也必须高度可靠。
在所提出的设计中，外部转储电阻器和断路器由可淬火的超导线圈区段代替。此外，如果需要的话，使用与环形场线圈一体形成的可淬火区段允许在每个线圈的每匝上提供可切换的转储电阻，使得在电流转储期间产生的电压可以散布在可淬火区段上。这使得具有一体形成的可淬火区段的高温超导环形场线圈提供以更多的匝构造的“转储电阻”，并且与具有传统的外部转储淬火保护的高温超导环形场线圈相比，具有一体形成的可淬火区段的高温超导环形场线圈在更低的电流下工作。对匝的最大数量的限制变为可淬火区段与磁体的其余部分之间的接头的数量，其中每匝有两个接头。这些本质上是有损的(在实践中是高温超导区段-铜-(高温超导区段或低温超导区段))，因此增加了总的低温热负载。通过选择最优数量的匝可以实现最低的系统成本，从而平衡较低运输电流的成本节省与额外接头和接头冷却的成本。
例如，如图8所示，通过将具有铜端接器803的高温超导区段801连接到具有铜端接器803的高温超导可淬火区段或低温超导可淬火区段802，接头可以构造为高温超导区段-Cu-Cu-(高温超导区段或低温超导区段)的接头。这些区段显示为铜芯部上的多层高温超导带/低温超导带，但是其他结构是可能的。Cu-Cu接头可以被焊接，或者可以被压制以允许可淬火区段容易地拆卸(例如，为了访问线圈内的部件而拆卸成环形场线圈)。最优地，使用较低的熔点的焊料来焊接接头，该焊料的熔点比用于组装来自单独的高温超导带和稳定剂的堆叠的匝导体的焊料的熔点低。
在低温超导材料用于可淬火区段的情况下，返回分支的高温超导元件可以构造成减少低温超导区段上的热负载，和/或进一步降低成本。例如，可以使用黄铜代替铜作为高温超导区段122的基质，即黄铜具有与铜类似的电性质，但黄铜具有较低的导热率，这将导致从中心柱向低温超导区段传导的热较少。可选地或另外地，可以沿着高温超导区段减小高温超导导体部分，以利用温度梯度，如图9中示意性所示。所使用的高温超导带的数量朝向(在20K下的)中心柱701更多并且朝向(在4.2K下的)低温超导区段702减少。用于使用传统铜基质的高温超导返回分支的区段的温度梯度如图7所示。随着温度降低，高温超导区段的临界电流将增加，越接近低温超导区段，需要的高温超导材料越少，并且越接近中心柱，需要的高温超导材料越多。除高温超导导体部分的任何减少之外，还有这种减少，以利用来自中心柱的进一步降低的磁场强度。
作为将可淬火区段与返回分支一体形成的替代或补充，可淬火低温超导区段可与中心柱一体形成。这可以通过在中心柱的中心(即沿其轴线)提供低温超导区段来完成，在中心柱的中心处的磁场比在中心柱的外部的磁场小。必须为低温超导区段提供足够的基质材料，以确保它具有足够的热容量来吸收淬火的能量，并且环形场线圈应该缠绕，以便任何高温超导区段与低温超导区段串联连接(但是不一定在同一匝上)。
低温超导区段还可以与包含高温超导区段的极向场线圈一体形成。然而，由于极向场线圈通常仅由高温超导区段制成以用于低温超导区段(例如，由于高磁场)不适合的区域，因此以上述方式为环形场线圈提供线圈的低温超导区段是不可能的。相反，高场位置中的极向场线圈可以与低场位置中的极向场线圈配对。高场位置中的极向场线圈包括高温超导极向场线圈，且低场位置中的极向场线圈包括低温超导极向场线圈。高场极向场线圈和低场极向场线圈彼此串联。当在高温超导极向场线圈中检测到淬火时，低温超导极向场线圈被淬火(与对上述环形场线圈的低温超导区段淬火的方式相同)。有效地，低温超导极向场线圈用作高温超导极向场线圈的电阻负载。
通常，上面描述的与环形场线圈的低温超导可淬火区段相关的相同设计考虑也适用于低温超导极向场线圈，特别适用于冷却的需要，以及适用于对非超导稳定剂的材料的选择，该选择确保低温超导线圈中有足够的热容量以保持低温超导线圈的温度低于预定值，并且确保低温超导线圈中有足够的电阻率以使得磁体的电流足够快地衰减，以使高温超导区段的淬火部分的温度保持低于预定值。因为在大多数情况下，低温超导极向场线圈将大于高温超导线圈，所以处理对于低温超导极向场线圈的这些相互矛盾的要求可能比处理对于环形场线圈的相互矛盾的要求更容易。

Claims (18)

1.一种环形场线圈，所述环形场线圈包括中心柱和多个返回分支，所述中心柱包括高温超导材料，每个返回分支包括：
包括超导材料的可淬火区段，所述可淬火区段被配置成增大环形场线圈的磁场；
两个高温超导区段，所述两个高温超导区段包括高温超导材料，其中高温超导区段将可淬火区段电连接到中心柱，并与中心柱和可淬火区段串联；和
淬火系统，所述淬火系统与可淬火区段相关联并被配置成对可淬火区段淬火；
环形场线圈还包括：
淬火保护系统，所述淬火保护系统配置成检测环形场线圈中的淬火，并且响应于对淬火的检测，使淬火系统对一个或多个可淬火区段中的超导材料淬火，以便将能量从环形场线圈中转储到一个或多个可淬火区段中；
冷却系统，所述冷却系统配置成将每个可淬火区段冷却到超导材料具有超导性能的温度；
其中，每个可淬火区段具有热容量和电阻率，所述热容量足以使当能量从环形场线圈转储到可淬火区段时，可淬火区段的温度保持低于第一预定温度，并且所述电阻率足以引起磁体的电流足够快地衰减，使得高温超导区段的淬火部分的温度保持低于第二预定温度，所述第一预定温度为700K并且所述第二预定温度为300K。
2.根据权利要求1所述的环形场线圈，其中，
每个可淬火区段还包括非超导稳定剂。
3.根据权利要求2所述的环形场线圈，其中，
所述非超导稳定剂包括金属，所述金属具有比铜的电阻率与体积热容量的比率更大的电阻率与体积热容量的比率。
4.根据权利要求1所述的环形场线圈，其中，
所述高温超导区段和所述中心柱仅通过与所述可淬火区段的热接触而被冷却。
5.根据权利要求1所述的环形场线圈，其中，
所述冷却系统还被配置为将所述中心柱冷却至所述高温超导材料具有超导性能的温度。
6.根据权利要求1所述的环形场线圈，其中，
所述高温超导区段和可淬火区段中的每一个包括与电连接到高温超导材料或超导材料的铜元件接合的接头，并且其中高温超导区段和可淬火区段经由铜元件连接。
7.根据权利要求1所述的环形场线圈，其中，所述可淬火区段包括低温超导材料。
8.根据权利要求7所述的环形场线圈，其中，
所述冷却系统被配置为将所述可淬火区段冷却至4.2K。
9.根据权利要求7所述的环形场线圈，其中，
所述冷却系统被配置为在所述环形场线圈的操作期间将所述可淬火区段冷却到比所述中心柱的温度低的温度，使得所述两个高温超导区段用作沿着它们具有温度梯度的电流引线。
10.根据权利要求7所述的环形场线圈，其中，
每个淬火系统配置成通过加热低温超导材料或引起低温超导材料中的交流电流损耗来导致淬火。
11.根据权利要求1所述的环形场线圈，其中，
所述可淬火区段包括高温超导材料和与所述高温超导材料相邻放置的加热器，其中所述淬火系统被配置成通过使所述加热器加热高温超导材料以对所述可淬火区段中的所述超导材料淬火。
12.根据权利要求11所述的环形场线圈，其中，
所述可淬火区段被构造为多个O型对的高温超导带的堆叠，其中每个O型对的高温超导带具有在高温超导带之间嵌入铜中的加热条带。
13.根据权利要求12所述的环形场线圈，其中，
所述加热条带连接成使得沿相邻的两个加热条带流动的电流沿相反方向流动。
14.根据权利要求1所述的环形场线圈，其中，
淬火检测系统被配置为检测所述中心柱和/或高温超导区段中的淬火。
15.一种环形场线圈，所述环形场线圈包括中心柱和多个返回分支，所述多个返回分支包括多匝高温超导材料，所述中心柱包括：
低温超导芯部，所述低温超导芯部包括低温超导材料，所述低温超导芯部被配置成增大环形场线圈的磁场；
高温超导外层，所述高温超导外层围绕低温超导芯部并包含高温超导材料；
低温超导芯部与返回分支的至少一些匝串联并且包括淬火系统，所述淬火系统被配置成在低温超导芯部中引起淬火；
环形场线圈还包括：
淬火保护系统，所述淬火保护系统配置成检测返回分支或高温超导外层中的淬火，并且响应于对淬火的检测，使淬火系统对所述低温超导芯部中的低温超导材料淬火，以便将来自环形场线圈的能量转储到低温超导芯部中；
冷却系统，所述冷却系统被配置成将低温超导芯部冷却到低温超导材料具有超导性能的温度；
其中，低温超导芯部具有热容量和电阻率，所述热容量足以在能量从环形场线圈转储到低温超导芯部中时，使低温超导的温度保持低于第一预定温度，并且所述电阻率足以引起磁体的电流足够快地衰减，使得返回分支或高温超导外层的被淬火部分的温度保持低于第二预定温度，所述第一预定温度为700K并且所述第二预定温度为300K。
16.一种用于球形托卡马克装置的极向场线圈组件，所述极向场线圈组件包括：
第一极向场线圈，所述第一极向场线圈包括高温超导材料；
第二极向场线圈，所述第二极向场线圈包括低温超导材料，并与第一极向场线圈串联连接；
淬火系统，所述淬火系统与第二极向场线圈相关联，并被配置成对第二极向场线圈进行淬火；
淬火保护系统，所述淬火保护系统被配置为检测第一极向场线圈中的淬火，并且响应于对淬火的检测，使淬火系统对第二极向场线圈淬火，以便将存储的磁能转储到第二极向场线圈中；
冷却系统，所述冷却系统配置成将第二极向场线圈冷却到低温超导材料具有超导性能的温度；
其中，第二极向场线圈具有热容量和电阻率，所述热容量足以在能量转储到第二极向场线圈中时，使低温超导材料的温度保持低于第一预定温度，并且所述电阻率足以引起磁体的电流足够快地衰减，使得第一极向场线圈的被淬火部分的温度保持低于第二预定温度，所述第一预定温度为700K并且所述第二预定温度为300K。
17.一种核聚变反应堆，包括根据权利要求1所述的环形场线圈。
18.根据权利要求17所述的核聚变反应堆，其中，
所述核聚变反应堆是球形托卡马克装置反应堆。
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