CN111009377B - 一种磁约束聚变用超导d型线圈的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁约束聚变用超导D型线圈的制备方法，包括以下步骤：A、线圈骨架的制备：将高强度金属圆管加工成D型形状，得到线圈骨架；B、绕制线圈：将数根高温超导带材并排螺旋缠绕在线圈骨架上，形成多层线圈缠绕层，且相邻缠绕层的高温超导带材错开1/2‑1/3带材宽度的间距；得到超导D型线圈胚体；C、线圈固化：对超导D型线圈胚体进行环氧树脂浸渍固化或者石蜡浸渍固化，得到固化的超导D型线圈；D、铠甲加强：用上下半管构成的包套管包裹固化的超导D型线圈，再次进行浸渍固化，即得。利用该方法制备的超导D型线圈合格率高，载流性能好，力学强度高，能在大空间产生更强的强磁场。

Description

一种磁约束聚变用超导D型线圈的制备方法
技术领域
本发明涉及一种磁约束聚变用超导D型线圈的制备方法。
背景技术
核聚变能具有资源充足、清洁安全、不产生高放射性核废料等优点,被公认为最可能解决未来能源危机、推动人类社会可持续发展的理想能源。聚变能的产生过程中对等离子体通常使用磁约束体系，以约束等离子体的位置。磁约束体系的极向磁场是保证等离子体电流开始、爬升、平顶、下降、直至最后终结的主要手段；而强大的环向磁场是保持等离子体宏观稳定的重要工具，所以磁体是磁约束聚变的关键部分。其中，产生环向场(Toroidalfield,TF)的环向场线圈的剖面为“D”形，也称为D线圈；在新一代聚变堆中，环向场线圈的最高磁场都将超过12T，必须使用性能优良的高温超导体。
目前，磁约束聚变用超导D型线圈的制备主要有两种方式：一是以欧洲核能机构(European Nuclear Energy Agency,ENEA)设计的沟槽导体结构为代表的扭曲堆叠超导D型线圈，是将高温超导带材堆叠放置在长直的金属管的螺旋沟槽中，然后将金属管弯制成D型。二是以美国科罗拉多大学发明的CORC结构(Conductor On Round Core)为代表的缠绕导体，是将超导带材螺旋缠绕在长直的圆型金属管上；然后将圆型金属管弯制成D型。这两种线圈均是先将超导带材螺旋状缠绕在长直的金属管上，再将长直的金属管弯制成D形状的D型管。其存在的问题是：(1)将长直的金属管弯制成D型管时，管上很多部位(将D型管置于水平时，D型管弯曲部分的上、下部位)的扁平的超导带材会产生弯曲应力应变，导致其力学强度降低、载流性能下降；严重时可导致超导体损坏、报废。(2)扁平的超导带材在长直的金属管上缠绕前一层的过程中，带材从金属管的始端螺旋前进至末端，进行后一层缠绕时，需从末端螺旋后退(螺旋前进方向反向)到始端，也即在相邻两层的转折处需要进行螺旋前进方向变向的操作，其缠绕操作麻烦、费时，制备效率低；且变换螺旋前进方向时，同样容易产生应力应变，降低超导带材的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁约束聚变用超导D型线圈的制备方法，利用该方法制备超导D型线圈合格率高，制得的超导D型线圈的载流性能好，力学强度高，能在大空间产生更强的强磁场。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种磁约束聚变用超导D型线圈的制备方法，包括以下步骤：
A、线圈骨架的制备
将高强度金属圆管加工成D型形状，得到线圈骨架；
B、绕制线圈
将数根高温超导带材并排螺旋缠绕在线圈骨架上，形成多层线圈缠绕层，且相邻缠绕层的高温超导带材错开1/2-1/3带材宽度的间距；得到超导D型线圈胚体；
C、线圈固化
利用真空浸渍设备对超导D型线圈胚体进行环氧树脂浸渍固化或者石蜡浸渍固化，得到固化的超导D型线圈；
D、铠甲加强
将固化的超导D型线圈的下半部置入适配的D型的下半管的矩形内腔中，再盖上形状与下半管对称的上半管；并将下半管与上半管联结，形成包裹超导D型线圈的包套管；所述的包套管是316L不锈钢管或者高强度铜合金管；然后，再次利用真空浸渍设备对包套管内的环氧树脂浸渍固化或者石蜡浸渍固化，即得到磁约束聚变用超导D型线圈。
对于绝缘性线圈，层与层之间用Kapton薄膜进行绝缘；对于无绝缘线圈，无需进行层间绝缘。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明是先将未缠绕高温超导带材的金属管弯制成D形状的D型管，然后才沿已弯制好的D型管缠绕高温超导带材。避免了先沿长直的金属管缠绕高温超导带材，再将长直的金属管弯制成D型管形时，管上很多部位(将D型管置于水平时，D型管弯曲部分的上、下部位)的扁平的超导带材，产生弯曲变形的曲率半径方向与带材宽度方向相同，会产生大的应力应变的缺陷。使其制备的超导D型线圈合格率高，载流性能好，力学强度高，能在大空间产生更强的强磁场。
二、由于D型骨架是闭合的，超导带材螺旋缠绕完一层后，会自动回到起始位置(各层的始端和尾端重合)，能直接顺延进行后一层的缠绕，其螺旋前进方向并不会改变，其缠绕操作简单、省时，制备效率高；也避免了转换螺旋前进方向带来的应力应变，保证了制得的D型线圈的载流性能。
三、本发明采用了高强度的包套管对D型线圈进行包裹固定，在整体上极大的增强了D型线圈的力学强度。
所述的多层线圈缠绕层的层与层之间还嵌入有Kapton绝缘薄膜。
这样制得的D型线圈为绝缘性D型线圈。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例1和实施例2制得的超导D型线圈的结构示意图；
图2为图1的局部B去掉上半管后的放大图；
图3为实施例1制得的超导D型线圈的截面放大图(图1的A-A剖面放大图)；
图4为实施例2制得的超导D型线圈的截面放大图(图1的A-A剖面放大图)。
具体实施方式
实施例1
图1-3示出，本发明的一种具体实施方式是，一种磁约束聚变用超导D型线圈的制备方法，包括以下步骤：
A、线圈骨架的制备
将高强度金属圆管加工成D型形状，得到线圈骨架；
B、绕制线圈
将数根高温超导带材1并排螺旋缠绕在线圈骨架上，形成多层线圈缠绕层，且相邻缠绕层的高温超导带材1错开1/2-1/3带材宽度的间距；得到超导D型线圈胚体；
C、线圈固化
利用真空浸渍设备对超导D型线圈胚体进行环氧树脂3浸渍固化或者石蜡4浸渍固化，得到固化的超导D型线圈；
D、铠甲加强
将固化的超导D型线圈的下半部置入适配的D型的下半管2a的矩形内腔中，再盖上形状与下半管2a对称的上半管2b；并将下半管2a与上半管2b联结，形成包裹超导D型线圈的包套管2；所述的包套管2是316L不锈钢管或者高强度铜合金管；然后，再次利用真空浸渍设备对包套管2内的环氧树脂3浸渍固化或者石蜡4浸渍固化，即得到磁约束聚变用超导D型线圈6。
实施例2
图1、2、4示出，本例与实施例1基本相同，唯一不同的仅仅是：多层线圈缠绕层的层与层之间还嵌入有Kapton绝缘薄膜5。

Claims (2)

1.一种磁约束聚变用超导D型线圈的制备方法，包括以下步骤：
A、线圈骨架的制备
将高强度金属圆管加工成D型形状，得到线圈骨架(7)；
B、绕制线圈
将数根高温超导带材(1)并排螺旋缠绕在线圈骨架(7)上，形成多层线圈缠绕层，且相邻缠绕层的高温超导带材(1)错开1/2-1/3带材宽度的间距；得到超导D型线圈胚体；
C、线圈固化
利用真空浸渍设备对超导D型线圈胚体进行环氧树脂(3)浸渍固化或者石蜡(4)浸渍固化，得到固化的超导D型线圈；
D、铠甲加强
将固化的超导D型线圈的下半部置入适配的D型的下半管(2a)的矩形内腔中，再盖上形状与下半管(2a)对称的上半管(2b)；并将下半管(2a)与上半管(2b)联结，形成包裹超导D型线圈的包套管(2)；所述的包套管(2)是316L不锈钢管或者高强度铜合金管；然后，再次利用真空浸渍设备对包套管(2)内的环氧树脂(3)浸渍固化或者石蜡(4)浸渍固化，即得到磁约束聚变用超导D型线圈。
2.根据权利要求1所述的一种磁约束聚变用超导D型线圈的制备方法，其特征在于：所述的多层线圈缠绕层的层与层之间还嵌入有Kapton绝缘薄膜(5)。
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