CN114667579A - 基于应变或基于磁场的失超检测 - Google Patents
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Abstract
一种检测包括HTS磁场线圈的超导磁体中预失超状况的方法。磁场线圈包括：多个匝，所述多个匝包括HTS材料和金属稳定物；以及导电材料，连接这些匝使得可以经由导电材料在这些匝之间径向共享电流。监测HTS磁场线圈和/或HTS磁场线圈的支撑结构的应变。将监测到的应变与磁体的正常运行期间的预期应变进行比较。响应于该比较，确定磁场线圈是否处于预失超状况。提供了一种类似的方法，其中，监测HTS的磁场线圈的磁场以检测预失超状况，而不是应变。
Description
技术领域
本发明涉及高温超导磁体系统中的失超检测，并且更具体地，涉及失超检测的方法以及被配置为实施该方法的磁体系统。
背景技术
产生聚变能的挑战非常复杂。除了托卡马克装置之外，已经提出了许多替代装置，但还没有一种装置能够产生与目前运行的诸如JET的最佳托卡马克装置相媲美的任何结果。
世界聚变研究在ITER的构造开始之后已经进入了新阶段，ITER是有史以来最大且最昂贵(约150亿欧元)的托卡马克装置。通往商业聚变反应堆的成功路线需要长脉冲、稳定运行以及使电力生产具有经济性所需的高效率。这三个条件特别难以同时实现，并且所计划的项目将需要对ITER和其他聚变设施进行多年的实验研究以及理论和技术研究。人们普遍预计，通过这条路线开发的商业聚变反应堆直到2050年才能建成。
为了获得经济发电(即，输出功率远大于输入功率)所需的聚变反应堆，传统的托卡马克装置必须是巨大的(如ITER所例示)，使得能量限制时间(其大致与等离子体体积成正比)可以足够大从而等离子体可以足够热以发生热聚变。
WO 2013/030554描述了一种替代方法，包括使用紧凑型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等离子体形状改善了粒子限制时间，并允许在小得多的机器中产生净发电。然而，小直径中心柱是必需的，这对等离子体约束磁体的设计提出了挑战。高温超导体(HTS)磁场线圈是用于此类磁体的有前途的技术。
超导材料通常分为“高温超导体”(HTS)和“低温超导体”(LTS)。诸如Nb和NbTi的LTS材料，是超导性可以用BCS理论描述的金属或金属合金。所有低温超导体的临界温度(高于该温度，即使在零磁场下材料也不能超导)低于约30K。BCS理论并未描述HTS材料的行为，但此类材料的临界温度可高于约30K(尽管应该注意的是，是超导运行和成分的物理差异而不是临界温度定义了HTS和LTS材料)。最常用的HTS是“铜酸盐超导体”——基于铜酸盐(包含氧化铜基团的化合物)的陶瓷，例如BSCCO或ReBCO(其中Re是稀土元素，通常是Y或Gd)。其他HTS材料包括铁磷族元素化物(例如FeAs和FeSe)和二硼酸镁(MgB2)。
ReBCO通常被制造为磁带，其结构如图1所示。这种磁带100通常约100微米厚，并且包括衬底101(通常是约50微米厚的电抛光哈氏合金)，一系列缓冲层通过IBAD、磁控溅射或其他合适的技术沉积在该衬底101上，该一系列缓冲层称为缓冲堆叠件102，厚度约0.2微米。外延ReBCO-HTS层103(通过MOCVD或其他合适的技术沉积的)覆盖缓冲堆叠件，并且通常是1微米厚。1至2微米的银层104通过溅射或其他合适的技术沉积在HTS层上，并且铜稳定物层105通过电镀或其他合适的技术沉积在磁带上，铜稳定物层105通常完全封装磁带。
衬底101提供了机械主干，该机械主干可以通过生产线进料并允许后续层的生长。缓冲堆叠件102需要提供双轴织构晶体模板，在其上生长HTS层，并防止元素从衬底化学扩散到HTS，该化学扩散会损害其超导特性。银层104需要提供从ReBCO到稳定物层的低电阻界面，并且稳定物层105在ReBCO的任何部分停止超导(进入“正常”状态)的情况下提供替代的电流路径。
此外，可以制造“剥离的”HTS磁带，该“剥离的”HTS磁带缺少衬底和缓冲堆叠件而在HTS层的两侧都具有银层。具有衬底的磁带将被称为“衬底”HTS磁带(tape)。
HTS磁带可以布置在HTS电缆中。HTS电缆包括一个或多个HTS磁带，经由导电材料(通常为铜)沿其长度连接这些磁带。HTS磁带可以被堆叠(即布置成使得HTS层平行)，或者它们可以具有一些其他的磁带布置，该磁带布置可以沿着电缆的长度变化。HTS电缆的显著特例是单个HTS磁带和HTS对。HTS对包括：一对HTS磁带，布置成使得HTS层平行。在使用衬底磁带的地方，HTS对可以是0型(HTS层彼此面对)、1型(一个磁带的HTS层面对另一个磁带的衬底)或2型(衬底彼此面对)。包括超过2个磁带的电缆可以将部分或全部磁带布置成HTS对。堆叠的HTS磁带可以包括各种布置的HTS对，最常见的是1型对的堆叠件或0型对(和/或，等效地，2型对)的堆叠件。HTS电缆可以包括衬底磁带和剥离磁带的混合。
一种常见类型的HTS线圈是“扁平线圈”，其中HTS电缆201以类似于带卷轴的方式缠绕以形成扁平线圈。扁平线圈可以制成具有任何二维形状的内周边。通常，扁平线圈被提供为“双扁平线圈”，其包括以相反方向缠绕的两个扁平线圈，其中，扁平线圈之间具有绝缘，并且内部端子连接在一起。这意味着只需将电压提供给通常更容易接入的外部端子，以驱动电流通过线圈的匝并产生磁场。
HTS线圈可以是“绝缘的”——在线圈的匝之间具有电绝缘材料，或者是“非绝缘的”，其中线圈的匝径向和沿着电缆(例如，通过焊接或通过直接接触来连接电缆的铜稳定层)而电连接。此外，线圈可以是“部分绝缘的”——即，在线圈之间具有一层，该层在用于绝缘线圈的绝缘体或接合非绝缘线圈的电缆的金属之间具有中间电阻。例如，部分绝缘可以是相对较高电阻的金属或半导体的较厚层、或被构造成提供相对较高电阻的复合层。备选地，部分绝缘的线圈可以通过提供由导电材料制成的其他径向电流路径来形成——例如，在磁场线圈的一侧。
发明内容
根据第一方面，提供了一种检测包括HTS磁场线圈的超导磁体中预失超状况的方法。磁场线圈包括：多个匝，所述多个匝包括HTS材料和金属稳定物；以及导电材料，连接这些匝使得可以经由导电材料在这些匝之间径向共享电流。监测HTS磁场线圈和/或HTS磁场线圈的支撑结构的应变。将监测到的应变与磁体的正常运行期间的预期应变进行比较。响应于该比较，确定磁场线圈是否处于预失超状况。
根据第二方面，提供了一种检测包括HTS磁场线圈的超导磁体中预失超状况的方法。磁场线圈包括：多个匝，所述多个匝包括HTS材料和金属稳定物；以及导电材料，连接这些匝使得可以经由导电材料在这些匝之间径向共享电流。监测HTS磁场线圈的磁场。将监测到的磁场与所述磁体的正常运行期间的预期磁场进行比较。响应于所述比较，确定磁场线圈是否处于预失超状况。
根据第三方面，提供了一种包括高温超导HTS磁场线圈的HTS磁体系统。HTS磁场线圈包括：多个匝，所述多个匝包括HTS材料和金属稳定物；以及导电材料，连接这些匝使得可以经由导电材料在这些匝之间共享电流。HTS磁体系统还包括失超保护系统、以及位于所述HTS磁场线圈上或所述HTS磁场线圈的结构支撑上的一个或多个应变传感器；失超保护系统被配置为监测一个或多个应变传感器的应变测量值；将应变测量值与磁体的正常运行期间的预期应变进行比较；以及响应于该比较，确定磁场线圈是否处于预失超状况。
根据第四方面，提供了一种包括HTS磁场线圈的高温超导HTS磁体系统。HTS磁场线圈包括：多个匝，所述多个匝包括HTS材料和金属稳定物；以及导电材料，连接这些匝使得可以经由导电材料在这些匝之间共享电流。所述HTS磁体系统还包括失超保护系统和一个或多个磁场传感器；该失超保护系统被配置为监测一个或多个磁场传感器的磁场测量值；将磁场测量值与磁体的正常运行期间的预期磁场进行比较；以及响应于该比较，确定磁场线圈是否处于预失超状况。
根据第五方面，提供了一种托卡马克装置，包括根据第三方面和第四方面的HTS磁体系统，其中，该托卡马克装置的环形磁场线圈或极向磁场线圈包括HTS磁场线圈。
附图说明
图1是HTS磁带的示意图；
图2是超导磁体系统的示意图；
图3是包括几个线圈的超导磁体系统的示意图。
具体实施方式
部分绝缘的和非绝缘的线圈，即在匝之间具有(非超导)允许电流在匝之间径向流动的导电路径的线圈，通常抵抗失超(磁体在运行期间变为非超导)以及在失超期间抵抗损坏(因为这部分是由绝缘线圈中的匝之间的电弧放电引起的)。然而，已经发现，由于磁场中的大的变化和由从螺旋路径(即，在线圈的HTS中)传递到径向路径(即，直接通过金属连接或部分绝缘)的电流产生的所得应变，部分绝缘的和非绝缘的线圈中的失超可产生显著损坏。这在具有多个线圈部分的磁体系统——例如，用于托卡马克装置的环形磁场(TF)线圈组中尤其显著。如果TF线圈的一个“分支”失超，那么由于大的不平衡力，所产生的磁不平衡可以对整个TF线圈组造成显著损坏。
虽然应变和磁场的大破坏性变化明显是问题，但下面的描述提出了使用由于匝之间电流共享而在失超开始期间发生的较小应变和磁场变化来检测初始失超并提供足够的警告以安全地降低磁体并减少或防止由失超造成的损坏。通常，失超检测涉及检测“预失超状况”，即易于导致失超的状况，或指示可能很快会发生失超的迹象，例如线圈之间的电流共享或线圈内的热点。
失超检测可以通过监测该组中每个线圈(和/或附近结构部件)中的应变或靠近该组中每个线圈的磁场中的一种或两种来执行。在广泛的示例中，当在磁体运行期间与预期测量值存在任何偏差(例如，大于所使用的应变仪的测量精度)时，可以用信号通知预失超状况。备选地，当任何这种偏差大于阈值(例如，比预期测量值大1％)时，可以用信号通知预失超状况。这将适合于这样的系统，即其中大量不必要停机的潜在成本值得承担以节省不受控制的失超的潜在成本。
备选地，失超保护系统可以被配置为：仅响应于应变和/或磁场传感器的某些测量值，例如响应于在正常运行期间垂直于线圈磁场的磁场(“离轴”磁场)，或响应于在非预期组件或非预期方向上产生应变(其中“非预期”表示“在正常运行期间是非预期的”——即，在失超或预失超状况下可预期)。
在多线圈系统中，一个线圈中的预失超状况的检测可以基于该系统的另一线圈中和周围的应变的变化——这是因为第一线圈的磁场的变化将导致该系统中的其他线圈上的力的平衡的变化。这适用于多个线圈是否是同一磁体(例如，TF线圈组的各个分支)的部分。
“正常运行期间的应变/磁场”的判断可以基于当前正在提供给线圈的功率——例如，失超保护系统可以：接收提供给每个线圈的电流的详细信息作为输入，基于这些电流来确定应变和/或磁场模型(例如，通过参考查找表或通过简单模型中的计算)，以及将应变和/或磁场传感器的读数与应变和/或磁场模型进行比较。如上所述，对于与模型的任何显著偏差，或对于某些类型，例如垂直于预期磁场/应变，的偏差，可以用信号通知预失超状况(以及失超防止程序，例如降低磁体接合)。
在平衡的多线圈系统中，即，在正常运行期间每个线圈的应变/磁场模式应该是相同的系统中，用于比较的正常运行期间的预期应变/磁场可以基于其他线圈的测量的应变/磁场——即，预期应变模式是每个线圈上的应变在仪表精度范围内是相同的。应变偏差的特定模式可以指示预失超状况——例如，其中在两个线圈的线圈的任一侧存在相等且相反的偏差，而在下一个最近的相邻线圈上存在减少的相等且相反的偏差。
类似的考虑适用于不完全平衡但具有对称性的系统——例如，当多线圈系统具有彼此反射对称性的两组线圈时，预期的应变/磁场可以基于每个线圈的测量的应变/磁场，可以预期的是应变/磁场模式应该也具有反射对称性。
在小型球形托卡马克装置(等离子体主半径约为1.5m)的典型TF线圈中，预期应变可以达0.25％(2500微应变)，并且应变传感器的灵敏度可以优于0.01微应变。因此，可以非常精确地高分辨率地确定磁体上的应变。
图2以示意形式示出了示例性超导磁体系统。该磁体系统包括：
HTS磁场线圈201，具有支撑结构202；
多个应变传感器203，位于HTS磁场线圈201和支撑结构202上；
多个磁场传感器204，被定位成监测由HTS磁场线圈201产生的磁场；
失超保护系统205，被配置为：
监测应变传感器和磁场传感器的测量值；
将监测到的测量值与正常运行期间的预期应变分布和正常运行期间的预期磁场分布进行比较；
基于该比较来确定磁场线圈是否处于预失超状况。
图3示出了多线圈磁体系统，其包括如图2所示的多个线圈201(具有相关联的支撑结构202和传感器203、204)。失超保护系统305被配置为：
监测应变传感器和磁场传感器的测量值；
将监测到的测量值与正常运行期间的预期应变分布和正常运行期间的预期磁场分布进行比较；
使用每个磁场线圈上的传感器和其他磁场线圈上的传感器两者，基于该比较来确定每个磁场线圈是否处于预失超状况。
如上面更详细的示例中所解释的，磁体系统还可以被构造为仅具有应变传感器或仅具有磁场传感器，以及具有被构造为仅考虑应变或磁场(视情况而定)的失超保护系统。
失超保护系统还可以被配置为在确定磁场线圈处于预失超状况之后激活某种方式的失超防止或减轻——例如，触发将磁体电流倾倒到冷块(cold mass)，例如通过切换到电阻负载或有意地使大部分磁体失超。
Claims (14)
1.一种检测包括HTS磁场线圈的超导磁体中预失超状况的方法，所述磁场线圈包括：
多个匝，包括HTS材料和金属稳定物；以及
导电材料，连接匝使得能够经由所述导电材料在匝之间径向共享电流；
所述方法包括：
监测所述HTS磁场线圈和/或所述HTS磁场线圈的支撑结构的应变；
将监测到的应变与所述磁体的正常运行期间的预期应变进行比较；
响应于所述比较，确定所述磁场线圈是否处于预失超状况。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述正常运行期间的预期应变基于所述磁体的运行参数来动态计算。
3.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，确定所述磁场线圈是否处于预失超状况包括以下各项中的一项或多项：
如果所述监测到的应变超过所述预期应变大于阈值，则确定所述磁场线圈处于预失超状况；
如果所述监测到的应变具有与所述预期应变垂直且幅度大于阈值的分量，则确定所述磁场线圈处于预失超状况。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述阈值或每个阈值是所述预期应变的预定比例。
5.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述磁体包括多个HTS磁场线圈，并且对每个HTS磁场线圈是否处于预失超状况的确定是基于应变传感器的与该HTS磁场线圈和其他HTS磁场线圈相对应的测量值。
6.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述磁体包括多个HTS磁场线圈，并且所述多个HTS磁场线圈中的每个HTS磁场线圈的预期应变是基于所述多个HTS磁场线圈中的至少一个其他HTS磁场线圈的监测应变。
7.一种检测包括HTS磁场线圈的超导磁体中的预失超状况的方法，所述磁场线圈包括：
多个匝，包括HTS材料和金属稳定物；以及
导电材料，连接匝使得能够经由所述导电材料在匝之间径向共享电流；
所述方法包括：
监测所述HTS磁场线圈的磁场；
将监测到的磁场与所述磁体的正常运行期间的预期磁场进行比较；
响应于所述比较，确定所述磁场线圈是否处于预失超状况。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，正常运行期间的预期磁场基于所述磁体的运行参数来动态计算。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，确定所述磁场线圈是否处于预失超状况包括以下各项中的一项或多项：
如果所述监测到的磁场超过所述预期磁场大于阈值，则确定所述磁场线圈处于预失超状况；
如果所述监测到的磁场具有与所述预期磁场垂直且幅度大于阈值的分量，则确定所述磁场线圈处于预失超状况。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述阈值或每个阈值是所述预期应变的预定比例。
11.一种包括高温超导HTS磁场线圈的HTS磁体系统，所述HTS磁场线圈包括：
多个匝，包括HTS材料和金属稳定物；
导电材料，连接匝使得能够经由所述导电材料在匝之间共享电流；
所述HTS磁体系统还包括失超保护系统、以及位于所述HTS磁场线圈上或所述HTS磁场线圈的结构支撑上的一个或多个应变传感器；
其中，所述失超保护系统被配置为：
监测所述一个或多个应变传感器的应变测量值；
将所述应变测量值与磁体的正常运行期间的预期应变进行比较；
响应于所述比较，确定所述磁场线圈是否处于预失超状况。
12.一种包括高温超导HTS磁场线圈的HTS磁体系统，所述HTS磁场线圈包括：
多个匝，包括HTS材料和金属稳定物；
导电材料，连接匝使得能够经由所述导电材料在匝之间共享电流；
所述HTS磁体系统还包括失超保护系统和一个或多个磁场传感器；
其中，所述失超保护系统被配置为：
监测所述一个或多个磁场传感器的磁场测量值；
将所述磁场测量值与磁体的正常运行期间的预期磁场进行比较；
响应于所述比较，确定所述磁场线圈是否处于预失超状况。
13.根据权利要求11或12所述的HTS磁体系统，其中，所述导电材料被包含在部分绝缘层内，所述部分绝缘层包括以下各项中的任一项：
间断绝缘层；
半导体；
金属条，在每侧都具有间断绝缘层；以及
金属-绝缘体过渡材料。
14.一种托卡马克装置，包括根据权利要求11至13中任一项所述的HTS磁体系统，其中，所述托卡马克装置的环形磁场线圈或极向磁场线圈包括所述HTS磁场线圈。
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