CN118197730A - 核聚变应用的高效椭圆形超导磁体技术 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超导磁体技术领域，特别是指一种适用于核聚变反应器的椭圆形高场超导磁体。此种磁体通过使用CICC导体绕制成椭圆形线圈，能够使磁场分布更加均匀，为核聚变能源提供了一种高效、安全、且环境友好的解决方案。与传统能源相比，核聚变能源的原料广泛、安全性高、能量输出大、并且对环境无污染，具有显著的优势。本发明的椭圆形高场超导磁体采用CICC导体，由内至外依次包含冷却通道、不锈钢波纹管、准各向同性Q‑IS导体和不锈钢铠装，此结构不仅提升了空间利用效率和电流传输能力，还具有良好的热稳定性。通过其小巧的体积、低能耗、轻重量和高稳定性等特点，本发明显著推动了超导电力技术在核聚变反应堆发展中的应用。
Description
技术领域
本发明位于超导磁体技术的应用领域，尤其关注于一种椭圆形高场超导磁体的设计，此种设计主要用于核聚变反应设施。
背景技术
在推进超导电力技术的进程中，高效能的超导磁体由于其在低温高场应用中展现出的零电能损失和高电流运输能力，已成为关键的技术优势。这些磁体广泛应用于包括医疗、生物科学及电力系统在内的多个领域。尤其在核聚变能源技术方面，超导磁体的应用可实现资源的高效利用和环境的可持续发展，相比之下，传统能源如煤炭、石油和天然气在资源、安全性、能量释放以及环境保护方面存在显著劣势。核聚变反应装置，尤其是采用磁约束方式的“托卡马克”系统，已成为当前研究的焦点。例如，欧洲核子研究组织(CERN)最近展示的一种新型高温超导磁体，该磁体在测试中显示出了巨大的潜力，为核聚变能源的发展提供了强有力的支持。
因此，开发专为核聚变反应设计的大型高场超导磁体变得尤为重要。这些磁体的设计旨在实现更小的体积、更低的能耗、更轻的重量及更高的稳定性。在这些磁体的开发中，CICC导体由于其高密度电流传输的能力而成为了关键技术，展现了其在未来能源技术中的巨大潜力。
发明内容
本发明提出了一种专为核聚变反应设计的椭圆形高场超导磁体，采用CICC导体绕制，旨在促进超导电力技术和核聚变能源的发展。核聚变能源，与煤炭、石油及天然气等传统能源相比，拥有几乎无穷的资源、更高的安全性、更大的能量释放能力和零环境污染的优势。该磁体由M个椭圆形线圈累积堆叠而成，其中M是根据需要调节的正整数，以适应不同的磁场强度需求。这些椭圆形线圈通过先进的三维弯曲技术精确堆叠，两端接入直流电源以供电。
CICC导体的结构设计考虑到了整体的稳定性和效率，包括内部的冷却通道、不锈钢波纹管、Q-IS导体及其外围的不锈钢铠装，以及铜或氮化铝和环氧树脂的混合物填充以强化结构。该设计使得CICC导体能够在低热导率的环境下高效传输电流。
Q-IS导体以圆形截面呈现，内部由4个特殊排列的REBCO带材堆叠子导体构成，通过中心旋转换位的方式实现准各向同性，优化了临界电流和热稳定性表现。子导体外层由铝等材料填充，外覆铜、铝或不锈钢的金属护套，进一步增强了导体的整体稳定性和电流传输效率。
此外，子导体由20根REBCO超导带材平行堆叠而成，采用独特的竖直和水平堆叠方式，显著提高了传输电流的密度，使得椭圆形高场超导磁体在核聚变反应应用中展现出卓越的性能和可靠性。
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为椭圆形磁体(M＝3)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导体绕制的椭圆形磁体(M＝3)。
具体实施方式
参照附图，对本发明进行解释说明。
本发明涉及的椭圆形结构，并不是严格按照椭圆的形状设计，而是采用一段曲线来近似椭圆形的形态。这里讨论的形状，只要与椭圆形有相似之处，都视为该范围之内。
图1展示了Q-IS导体的截面图，该导体的横截面为圆形，并包含四个正方形子导体，这些子导体由REBCO带材(1)堆砌而成弧形的铝护套和铝填充物(2)以及外层的铜护套(3)共同构成了导体的保护层。在制备过程中，首先需要准备宽度为2mm的REBCO带材，并在其上施加锡。锡施加完毕后，带材被堆砌成四个子导体，并在堆砌过程中进行旋转换位。铝护套和铝填充物的制备是在模具中完成的，而铜护套则是通过焊接两个半圆形的铜护套来制成的。通过在Q-IS导体中心旋转换位的子导体，使得该导体在临界电流、热稳定性等多个方面表现出准各向同性的特点，从而拥有较好的稳定性和一定的优势。此外，铝护套和铜护套的应用不仅提高了导体的机械性能，还均匀了导体的温度，并提供了电流转移的通道。
图2显示了大电流CICC导体的截面图，该导体的截面亦为圆形，由内而外分别由不锈钢波纹管(5)、Q-IS导体(4)以及不锈钢铠装(6)构成。不锈钢波纹管与Q-IS导体之间、以及不锈钢铠装与Q-IS导体之间的缝隙(7)填充了铜或氮化铝、环氧的混合物，在本发明中选择了铜作为填充材料。不锈钢波纹管的中心空洞部分用作冷却通道，可流通液氮或氦气等冷却介质。当CICC导体以S形弯曲形态应用于核聚变反应的高场超导磁体时，通常采用20K的氦气进行冷却。在低温下，其临界电流较大，能够产生较强的磁场。CICC导体包含六个关于中心旋转对称的Q-IS导体，使得其传输电流密度极高。不锈钢波纹管的截面为环形，是通过焊接两个半圆形的不锈钢护套制成的。不锈钢铠装则进一步增强了大电流CICC导体的机械强度。
图3为CICC导体的三维结构图。
图4展示了一种用于核聚变反应的椭圆形高场超导磁体(8)的三维结构图。该结构由若干椭圆形线圈堆叠而成，即一个椭圆形线圈位于另一个椭圆形线圈之上，共有M个这样的椭圆形线圈堆叠，其中M是一个正整数。M的数量可以根据实际需要进行调整，以适应对磁场大小的具体要求。当需要更大的磁场时，可以增加M的值以及每个椭圆形线圈的长度。椭圆形线圈的绕制是通过三维弯曲机器对CICC导体进行扭曲堆叠完成的，且线圈的两个接头与直流电源连接。根据实际需求调整CICC导体绕制成椭圆形线圈的弯曲半径，以减少临界电流的衰减，提高导体的载流能力。在本示例中，M的值为3。
Claims (4)
1.一种适用于核聚变反应的椭圆形高场超导磁体，该磁体特别采用由CICC导体绕制成的椭圆形线圈结构，其中包含多个椭圆形线圈叠加而成的组合体，每个椭圆形线圈由多圈CICC导体绕制而成，其中的线圈数量M为正整数。该椭圆形线圈通过特殊的三维弯曲技术加工而成，以确保CICC导体的有效扭曲堆叠，且两个端点连接至直流电源。
2.根据权利要求1所述的超导磁体，其中CICC导体自内而外依次包括冷却通道、不锈钢波纹管、Q-IS导体和不锈钢铠装结构。该CICC导体由6个准各向同性的Q-IS导体组成，这些导体相对于中心对称排列，使其具有极高的电流传输效率。
3.根据权利要求2所述的超导磁体，Q-IS导体包含4个REBCO带材堆叠而成的子导体。这些子导体在Q-IS导体中心进行旋转换位，赋予了其准各向同性的特点，从而在临界电流和热稳定性方面展现出优越性能。此外，子导体外部还配备有铝填充和铝护套，并由金属护套(如铜、铝或不锈钢等材料)封装。
4.根据权利要求3所述的超导磁体，REBCO带材构成的子导体由多层材料构成，包括铜层、银层、超导层、缓冲层以及基质层。缓冲层材料可选用RE2O3、CeO2、YSZ、MgO等，基质层材料可选用Ni、NiW、哈氏合金或不锈钢等材料，以确保整体结构的稳定性和性能。
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