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HT-7U PF導(dǎo)體的設(shè)計(jì)及其穩(wěn)定性分析報(bào)告

李保增

[摘要] 本文使用簡(jiǎn)單的功率和能量平衡關(guān)系，分析了CICC(Cable - in - Conduit Conductor)型超導(dǎo)體的穩(wěn)定性。為了導(dǎo)體設(shè)計(jì)的方便，推導(dǎo)出一些僅含有超導(dǎo)電纜幾何因子和導(dǎo)體運(yùn)行參數(shù)的表達(dá)式。最后給出了一種HT-7U極向場(chǎng)PF(Poloidal field) 線圈導(dǎo)體的設(shè)計(jì)結(jié)果 。

關(guān)鍵詞：CICC 型超導(dǎo)體，穩(wěn)定性，電流分流溫度，極限電流

1 前言

合肥超導(dǎo)托卡馬克HT-7U將是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，它的所有線圈將 使用 NbTi/Cu 超導(dǎo)體，并使用超臨界氦迫流冷卻。我們知道，PF線圈是運(yùn)行在電磁和機(jī)械噪聲環(huán)境中，它的穩(wěn)定運(yùn)行是導(dǎo)體設(shè)計(jì)首先要考慮的問題。本文以 PF導(dǎo)體為例，詳細(xì)描述了導(dǎo)體設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析的方法，并對(duì)一些問題進(jìn)行了討論。

1.1 CICC發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧

CICC型超導(dǎo)體是由內(nèi)冷超導(dǎo)體ICS(Internally Cooled Superconductors) 發(fā)展 而來的。在ICS中，氦是在單獨(dú)的銅冷卻管中流動(dòng)，超導(dǎo)線被軟焊在銅管的外側(cè)面。我們知道，銅管中氦的含量是有限的，為了提高導(dǎo)體的穩(wěn)定性就必須加大氦的流速直到湍流流型。這樣的流動(dòng)將引起大的流動(dòng)壓降和消耗大量的泵送功率，從而增加了室溫制冷負(fù)載。為了克服這一缺點(diǎn)，人們?cè)谙胧欠窨梢园袸CS中的整塊超導(dǎo)體分為許多細(xì)股線，然后把超導(dǎo)股線和氦一起密封在鋼管中，讓氦在股線間流動(dòng)。這樣不僅大大增加了冷卻表面積，同時(shí)也改善了傳熱條件，從而提高了導(dǎo)體的穩(wěn)定性。這個(gè)設(shè)想最終使 Hoenig, Iwasa 和 Montgomery 在1975年首先 提出了CICC型超導(dǎo)體的概念，并在LCT (Large Coil Task)計(jì)劃中得到應(yīng)用^[1]。在其后的二十多年里CICC型超導(dǎo)體得到了重要發(fā)展，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了各種定量分析的模型和方法，為導(dǎo)體的最佳化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

1.2 CICC 的 穩(wěn) 定 性

就穩(wěn)定性而言，嚴(yán)格地講CICC不是低溫穩(wěn)定的。由CICC的位形構(gòu)成可知，氦是在股線間的空隙中流動(dòng)，導(dǎo)體中可利用的氦的量總是被限制在局部的體積上。我們知道，導(dǎo)體失超或者恢復(fù)是在毫秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)完成的，而氦在導(dǎo)體內(nèi)的滯留時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)幾分鐘。因此在導(dǎo)體受到擾動(dòng)時(shí)的瞬間不能有新的氦來補(bǔ)充，任何一個(gè)足夠大的干擾能量輸入到導(dǎo)體上都會(huì)使得股線溫度高于液氦溫度，最后導(dǎo)致失超。因此人們稱它為準(zhǔn)低溫穩(wěn)定(metastable)。那么在給定的運(yùn)行條件下，確定引起失超而超導(dǎo)仍能恢復(fù)的最大的能量輸入是CICC設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它被稱為穩(wěn)定性余量。