CN116246852A - 一种用于核聚变反应的由cicc导体绕制的d形高场超导磁体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了属于超导磁体应用技术领域的一种用于核聚变反应的由CICC导体绕制的D形高场超导磁体。高场超导磁体可极大推动超导电力技术核聚变反应堆的发展，核聚变反应和传统能源相比具有很多优势，从原料上来说其资源充足；从可靠性上来说其安全系数高；从能量利用上来说其释放能量大；从对环境保护上来说其清洁无污染。本发明提出的D形高场超导磁体由大电流CICC导体绕制成D形线圈，CICC导体从内到外由冷却通道、不锈钢波纹管、准各向同性Q‑IS导体、不锈钢铠装组成。CICC导体具有节省空间利用率、传输电流大、热稳定性好等优点，绕制的该磁体具有体积小、功耗小、重量轻以及稳定性高等优点。
Description
技术领域
本发明属于超导磁体应用技术领域，尤其涉及一种用于核聚变反应的由CICC导体绕制的D形高场超导磁体。
背景技术
低温高场下的超导磁体和高温低场下的电力传输是推动超导电力技术发展的主要动力。超导磁体相比常规磁体有诸多优势，其没有电损耗和磁损耗且运行电流密度高，具有很强的实用价值。超导磁体技术已经在许多领域获得实际应用，如医学、生物、电网等等。最重要的是，高场磁体可极大推动超导电力技术核聚变反应堆的发展，核聚变反应和煤炭、石油以及天然气等传统能源相比，从原料上来说其资源充足；从可靠性上来说其安全系数高；从能量利用上来说其释放能量大；从对环境保护上来说其清洁无污染，足以见得其优势之大。现在核聚变反应装置主要是“托卡马克”磁约束装置，2021年10月美国麻省理工学院等离子体科学与聚变中心提出长2米、宽1米的高温超导磁体，进行了为期两周的实验，证明其是很强的聚变磁体。
基于以上情况可知，用于核聚变反应的大型高场超导磁体非常需要，而提出的该磁体具有体积小、功耗小、重量轻以及稳定性高等优点。并且，用于绕制磁体的CICC导体可传输电流密度极高。
发明内容
本发明提出一种用于核聚变反应的由CICC导体绕制的D形高场超导磁体，高场超导磁体可极大推动超导电力技术核聚变反应堆的发展，核聚变反应和传统能源相比，具有资源充足、安全可靠、释放能量大、清洁无污染等优势。该磁体特征在于，其由M个D形线圈摞在一起组成，就是一个D形线圈上面再放一个D形线圈，共M个，而1个D形线圈由N圈CICC导体绕制而成，M、N为正整数，M、N的个数可以根据实际情况进行调整，当需要磁场比较大时，可以增大M、N，D形线圈绕制时是通过三维弯曲机器将CICC导体扭曲堆叠，线圈的2个接头连接直流电源。
所述的CICC导体从内到外由冷却通道、不锈钢波纹管、Q-IS导体、不锈钢铠装组成，为了增加整体的稳固性，不锈钢波纹管和Q-IS导体间、不锈钢铠装和Q-IS导体间的缝隙为铜或氮化铝、环氧混合物填充，CICC导体包括6个关于中心对称的Q-IS导体，传输电流密度极高。不锈钢热导率很低，用其铠装可以减少环境漏热。
所述的Q-IS导体截面为圆形，包括4个由REBCO带材堆叠的子导体，关于Q-IS导体中心进行了旋转换位，这样使Q-IS导体在临界电流、热稳定性等很多方面具有了准各向同性的优点，有良好的稳定性，具有一定的优势。子导体外部由填充材料及金属护套包裹，填充材料可以是铝，金属护套可以是铜、铝、不锈钢等材料。
所述的子导体是由20根REBCO超导带材平行堆叠成一个正方形。左上方和右下方REBCO带材为竖直堆叠，右上方和左下方REBCO带材为水平堆叠，多根带材堆叠相比单根带材，可以使传输电流密度极大提高。
附图说明
图1为Q-IS导体的截面示意图；
图2为CICC导体的截面示意图；
图3为CICC导体的三维结构示意图；
图4为D形磁体(M＝1)的三维结构示意图。
图5为D形磁体(M＝5)的三维结构示意图。
附图标记：1-REBCO带材，2-弧形铝和铝填充，3-铜护套，4-Q-IS导体，5-不锈钢波纹管，6-不锈钢铠装，7-铜填充，8-CICC导体绕制的D形磁体(M＝1)，9-CICC导体绕制的D形磁体(M＝5)。
具体实施方式
参照附图，对本发明进行解释说明。
本发明所提出的D形结构并非严格意义上的字母D的结构，只是用一段直线和一段弧线组成的类似字母D的结构，形状类似的结构都在此范围内。
图1为Q-IS导体的截面示意图，Q-IS导体截面为圆形，包括4个由REBCO带材(1)堆叠的子导体，子导体形状为正方形，(2)为弧形铝护套和铝填充，外部金属护套(3)为铜。对于该导体的制备，首先准备2mm宽的REBCO带材，对其进行挂锡，挂锡完成后对带材进行堆叠形成4个子导体，4个子导体堆叠时进行旋转换位，对于铝护套和铝填充，需要将铝放在模具中完成制备，最后对于铜护套的制备，是将两个相同的半铜护套进行焊接。子导体关于Q-IS导体中心进行了旋转换位，这样使Q-IS导体在临界电流、热稳定性等很多方面具有了准各向同性的优点，有良好的稳定性，具有一定的优势。此外，铝护套以及铜护套的包覆，一可以使导体机械性能有所提高，二对于整个导体有均温作用，三还提供了电流转移通道。
图2为大电流CICC导体的截面示意图，整个CICC导体截面为圆形，其中由内到外包括不锈钢波纹管(5)、Q-IS导体(4)和不锈钢铠装(6)组成，不锈钢波纹管和Q-IS导体间、不锈钢铠装和Q-IS导体间的缝隙(7)为铜或氮化铝、环氧混合物填充，在本发明中选为铜填充，图中不锈钢波纹管内部圆形中空部分为冷却通道(如液氮或者氦气制冷)，当CICC导体绕成D形磁体用于核聚变反应时，一般采用20K氦气冷却，低温下临界电流大，产生的磁场大。由图可见，CICC导体包括6个关于中心旋转对称的Q-IS导体，致CICC导体传输电流密度极高。不锈钢波纹管的截面为圆环形状，是将两个半不锈钢护套进行焊接在一起的，不锈钢铠装可以提高大电流CICC导体的机械强度。图3为CICC导体的三维结构示意图。
图4为一种用于核聚变反应的由CICC导体绕制的D形高场超导磁体(8)三维结构示意图，如图所示，其由M个D形线圈摞在一起组成，就是一个D形线圈上面再放一个D形线圈，共M个，而1个D形线圈由N圈CICC导体绕制而成，M、N为正整数，M、N的个数可以根据实际情况进行调整，当需要磁场比较大时，可以增大M、N，D形线圈绕制时是通过三维弯曲机器将CICC导体扭曲堆叠，线圈的2个接头连接直流电源。CICC导体绕制D形线圈的弯曲半径要根据实际情况进行调整，使临界电流的衰减比较少，提高导体的载流能力。在该示例中，M为1，N为3。图5为一种用于核聚变反应的由CICC导体绕制的D形高场超导磁体(9)三维结构示意图，在该示例中，M为5，N为3。
Claims (4)
1.一种用于核聚变反应的由CICC导体绕制的D形高场超导磁体，该磁体其特征在于，其由M个D形线圈摞在一起组成，就是一个D形线圈上面再放一个D形线圈，共M个，而1个D形线圈由N圈CICC导体绕制而成，M、N为正整数，D形线圈绕制时是通过三维弯曲机器将CICC导体扭曲堆叠，线圈的2个接头连接直流电源。
2.根据权利要求1所述的一种用于核聚变反应的由CICC导体绕制的D形高场超导磁体，其特征在于，所述CICC导体从内到外由冷却通道、不锈钢波纹管、Q-IS导体、不锈钢铠装组成。CICC导体包括6个关于中心对称的准各向同性Q-IS导体，导致其传输电流密度极高。
3.根据权利要求2所述的一种用于核聚变反应的由CICC导体绕制的D形高场超导磁体，其特征在于，所述的Q-IS导体包括4个由REBCO带材堆叠的子导体，子导体关于Q-IS导体中心进行了旋转换位，使其在临界电流、热稳定性等很多方面具有了准各向同性的优点，外部再加装铝填充和铝护套，最后由金属护套包裹，可以是铜、铝、不锈钢等材料。
4.根据权利要求3所述的一种用于核聚变反应的由CICC导体绕制的D形高场超导磁体，所述的REBCO带材由铜层、银层、超导层、缓冲层和基质层组成。其中缓冲层材料为RE2O3、CeO2、YSZ、MgO等，基质层材料为Ni、NiW、哈氏合金板材料或不锈钢材料。
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