聚变实验堆中心螺线管模型线圈及其高温超导电流引线的交流损耗研究

摘要

中心螺线管线圈(CS)是中国聚变工程实验堆(CFETR)磁体系统的重要组成部分，它的作用是产生和稳定托卡马克装置里的等离子体，保证磁体和聚变装置的安全稳定运行。CS模型线圈与CFETR装置的CS原型线圈具有相同的科学目标和物理参数，它是研究CS原型线圈的基础和前提。CS模型线圈常处于高电流和高磁场下的运行状态，因此模型线圈的交流损耗是影响其稳定性和效率最为关键的因素。CS模型线圈磁体系统包括CS模型线圈本体和高温超导电流引线等部件。而研究高温超导带材和堆叠导体是分析高温超导电流引线的基础，所以合理地分析CS模型线圈本体、高温超导带材、堆叠导体和高温超导电流引线的磁场位形和交流损耗是CFETR CS模型线圈关键技术研究的基础和必要条件。本文从理论和实验层面分别分析了CS模型线圈本体的交流损耗，同时从高温超导带材和堆叠导体出发，研究了高温超导电流引线的交流损耗。
　　建立了CS模型线圈在实际工况下的交流损耗计算模型。本文采用分段线性法对CS模型线圈的运行电流进行分段处理，再通过安培环路定律求出模型线圈的磁场大小和变化率，从而分别求出磁滞损耗和耦合损耗。计算了基于不同管内电缆导体(CICC)的CS模型线圈在实际运行电流下的磁滞损耗和耦合损耗，并做了对比，为今后CS模型线圈的管内电缆导体的选择奠定基础。
　　提出了CS模型线圈在实际工况下传输交流损耗的实验方案。采用了可调电容箱和补偿线圈双补偿系统，并用霍尔传感器对电流进行标定。为了验证该实验方案的可行性，对超导小线圈样品在非正弦电流下的传输损耗进行了测量，测量结果说明该实验系统可以测量超导线圈的非正弦的传输损耗。同时对该实验测试系统存在的误差进行了分析并采取了一些有效的改善措施。
　　提出一种新的高温超导带材外场损耗的测量方法-免标定法，并基于此方法搭建了实验平台。基于该实验平台测量了高温超导带材的外场损耗，分析了外场损耗的频率依赖性和磁场角度依赖性等。同时测量了超导带材在非正弦电流下的传输损耗。本文基于H-formulation对超导带材的外场损耗和传输交流进行了仿真计算并与实验结果做了对比。分析了超导带材的磁场屏蔽效应对交流损耗的影响，并分析了磁场屏蔽效应与带材和铜带垂直距离之间的关系，同时也分析和比较了Roebel电缆与超导带材的磁场屏蔽效应对交流损耗的影响。提出了超导带材有效穿透磁场的概念并建立了有效穿透磁场的计算模型，从而建立了超导带材的动态电阻的计算模型。
　　基于免标定法测量了超导堆叠导体和Roebel电缆的外场损耗，分析了外场损耗的磁场幅值依赖性、磁场角度依赖性和频率依赖性等，并与有限元仿真结果做对比，提出超导堆叠导体与Roebel电缆外场损耗随着外磁场变化的关系。在高磁场下，基于提出的两者外场损耗的关系，Roebel电缆和堆叠导体的外场损耗可以相互推算。同时测量了超导堆叠导体在非正弦下的传输损耗，并与有限元的仿真结果做了对比，为研究高温超导电流引线的交流损耗奠定良好的基础。
　　设计了面向高电流等级超导电力应用的高温超导电流引线的两种结构-矩形和正六边形结构，基于H-formulation的有限元计算方法对矩形和正六边形结构电流引线的交流损耗进行了仿真计算。同时搭建了超导电流引线传输损耗的测试平台，测量了非正弦电流波形下两种结构电流引线的传输损耗，结果表明在同等条件下，具有良好对称性的正六边形结构电流引线的交流损耗比矩形结构电流引线的交流损耗小，对CS模型线圈的高温超导电流引线的设计和应用具有良好的参考价值。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1课题的研究背景及意义

1．2托卡马克装置研究发展现状

1．2．1 国外托卡马克装置研究进程与现状

1．2．2国内托卡马克装置研究发展现状

1．2．3低温超导磁体交流损耗的研究发展现状

1．3高温超导电流引线研究现状

1．3．1 国内外高温超导电流引线研究发展现状

1．3．2高温超导带材和电流引线的交流损耗研究现状

1．4课题研究的主要内容

2模型线圈交流损耗的计算

2．1超导材料及其特性

2．1．1 NbTi和Nb3Sn股线

2．1．2管内电缆导体

2．1．3第二代高温超导带材

2．2模型线圈的结构及电磁分析

2．2．1模型线圈的结构

2．2．2模型线圈的磁场分布

2．3模型线圈的交流损耗计算

2．3．1模型线圈的电流波形

2．3．2磁滞损耗的计算

2．3．3耦合损耗的计算

2．3．4模型线圈的总损耗

2．4本章小结

3模型线圈交流损耗的实验研究

3．1大型超导磁体交流损耗的实验测量

3．2模型线圈的交流损耗测量方案

3．2．1测量方案的提出

3．2．2测量方案的误差分析

3．3本章小结

4高温超导带材交流损耗分析

4．1高温超导带材的临界电流

4．1．1临界电流实验测试平台

4．1．2临界电流实验测量结果

4．2高温超导带材的外场损耗

4．2．1外场损耗的实验系统搭建

4．2．2高温超导带材的外场损耗测量

4．2．3不同磁场角度下的外场损耗

4．2．4高温超导带材的磁场屏蔽效应

4．3高温超导带材的传输损耗

4．3．1 单根带材的传输损耗实验装置

4．3．2单根带材的传输交流实验测量结果

4．4高温超导带材的动态电阻

4．4．1动态电阻的理论计算

4．4．2动态电阻的实验研究

4．5本章小结

5高温超导堆叠导体的交流损耗

5．1堆叠导体的外场损耗

5．1．1 堆叠导体的外场损耗仿真计算

5．1．2堆叠导体的外场损耗实验结果

5．2堆叠导体的传输损耗

5．2．1 堆叠导体的传输损耗仿真计算

5．2．2堆叠导体的传输损耗实验结果

5．3本章小结

6高温超导电流引线的交流损耗分析

6．1高温超导电流引线的分类

6．2高温超导电流引线的设计

6．3高温超导电流引线交流损耗的仿真计算

6．3．1 矩形电流引线交流损耗的仿真计算

6．3．2正六边形电流引线交流损耗的仿真计算

6．4高温超导电流引线交流损耗的测量

6．4．1 矩形电流引线交流损耗的测量

6．4．2正六边形电流引线交流损耗的测量

6．5本章小结

7结论与展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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