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《中国科学技术大学》 2020年
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聚变装置大载流高温超导复合导体稳定性分析

张正硕  
【摘要】:大载流超导复合导体已经广泛用于能源、电力、交通、医疗等多个领域。对于工程应用中的大载流超导电缆来说,稳定性裕度直接关系着设备运行的可靠性和安全性,对于大载流超导复合导体的稳定性定性分析和定量计算具有重要的实际意义。论文聚焦适用于大载流应用条件的超导复合导体的稳定性分析方法研究及其应用。首先,从国际上现行成熟的大载流低温超导复合导体稳定性分析方法入手,针对中国聚变工程实验堆(CFETR)纵场磁体高场区绕组建立了一维有限元模型,分析高性能Nb3SnCICC导体运行工况特性,得到典型电磁和机械扰动下导体的稳定性裕度与参数变化情况,预计运行工况内温度裕度高于2.0K,最不利工况下能量裕度最低11.41mJ/cc。同时,针对电磁扰动和机械扰动两种典型的热扰动工况条件,计算了高性能Nb3Sn CICC导体在扰动后恢复以及失超两种情况下的参数,为其在聚变堆超导磁体领域的工程化应用提供参考。基于二代高温超导涂层导体,结合近年来国内外高温超导复合导体设计经验,提出了一种新型高稳定性ReBCO高温超导复合化导体,重点介绍了子缆拓扑结构及其创新性设计。针对改进后的导体结构,结合前述稳定性分析方法,讨论了与高温超导复合导体稳定性关联数学模型,包括基于超导磁通钉扎力关系修正的ReBCO归一化临界电流密度定标率模型、简化的复合导体等效电路模型以及传热学模型。针对新型高稳定性ReBCO复合导体,应用前述稳定性分析方法,从交流损耗、稳定性裕度以及失超特性三个方面开展了详细计算分析与评估。通过建立简化的二维电磁模型,分析了交变载流下复合导体磁场渗透和归一化电流分布情况;远离导体中轴线的外侧带材承担主要载流,损耗也最大。通过就扰动工况、内部接触热阻、运行电流比和背景磁场强度对ReBCO复合导体稳定性裕度的影响进行讨论,证明铟锡合金钎焊等方法可以有效提高复合导体稳定性裕度;对典型扰动下复合导体失超特性进行了模拟计算和规律总结,从温度分布与热点温度变化、失超传播中的氦冷却剂参数、失超检测与保护等多角度给出了对大载流ReBCO复合导体运行和保护的建议。
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