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HT-7U PF導體的設計及其穩(wěn)定性分析報告

李保增

[摘要] 本文使用簡單的功率和能量平衡關系，分析了CICC(Cable - in - Conduit Conductor)型超導體的穩(wěn)定性。為了導體設計的方便，推導出一些僅含有超導電纜幾何因子和導體運行參數(shù)的表達式。最后給出了一種HT-7U極向場PF(Poloidal field) 線圈導體的設計結果 。

關鍵詞：CICC 型超導體，穩(wěn)定性，電流分流溫度，極限電流

1 前言

合肥超導托卡馬克HT-7U將是一個穩(wěn)態(tài)的核聚變實驗裝置，它的所有線圈將 使用 NbTi/Cu 超導體，并使用超臨界氦迫流冷卻。我們知道，PF線圈是運行在電磁和機械噪聲環(huán)境中，它的穩(wěn)定運行是導體設計首先要考慮的問題。本文以 PF導體為例，詳細描述了導體設計和穩(wěn)定性分析的方法，并對一些問題進行了討論。

1.1 CICC發(fā)展的簡要回顧

CICC型超導體是由內冷超導體ICS(Internally Cooled Superconductors) 發(fā)展 而來的。在ICS中，氦是在單獨的銅冷卻管中流動，超導線被軟焊在銅管的外側面。我們知道，銅管中氦的含量是有限的，為了提高導體的穩(wěn)定性就必須加大氦的流速直到湍流流型。這樣的流動將引起大的流動壓降和消耗大量的泵送功率，從而增加了室溫制冷負載。為了克服這一缺點，人們在想是否可以把ICS中的整塊超導體分為許多細股線，然后把超導股線和氦一起密封在鋼管中，讓氦在股線間流動。這樣不僅大大增加了冷卻表面積，同時也改善了傳熱條件，從而提高了導體的穩(wěn)定性。這個設想最終使 Hoenig, Iwasa 和 Montgomery 在1975年首先 提出了CICC型超導體的概念，并在LCT (Large Coil Task)計劃中得到應用^[1]。在其后的二十多年里CICC型超導體得到了重要發(fā)展，在大量實驗的基礎上，提出了各種定量分析的模型和方法，為導體的最佳化設計奠定了基礎。

1.2 CICC 的 穩(wěn) 定 性

就穩(wěn)定性而言，嚴格地講CICC不是低溫穩(wěn)定的。由CICC的位形構成可知，氦是在股線間的空隙中流動，導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，導體失超或者恢復是在毫秒量級時間內完成的，而氦在導體內的滯留時間可長達幾分鐘。因此在導體受到擾動時的瞬間不能有新的氦來補充，任何一個足夠大的干擾能量輸入到導體上都會使得股線溫度高于液氦溫度，最后導致失超。因此人們稱它為準低溫穩(wěn)定(metastable)。那么在給定的運行條件下，確定引起失超而超導仍能恢復的最大的能量輸入是CICC設計的基礎，它被稱為穩(wěn)定性余量。