【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于托卡马克等离子体室(例如在聚变反应堆中使用的托卡马克等离子体室)的环形磁场线圈的中心柱。具体地，它涉及包括高温超导体(hts)材料在内的中心柱。
技术介绍
1、超导材料通常分为“高温超导体”(hts)和“低温超导体”(lts)。诸如nb和nbti之类的lts材料是其超导性可以用bcs理论来描述的金属或金属合金。所有的低温超导体都有低于大约30k的临界温度(高于这个温度，即使在零磁场下，材料也不能超导)。bcs理论没有描述hts材料的行为，并且此类材料可具有高于大约30k的临界温度(尽管应该注意，是超导操作和组成方面的物理差异(而不是临界温度)定义了hts材料和lts材料)。最常用的hts是“铜酸盐超导体”一一基于铜酸盐(含有氧化铜基团的化合物)的陶瓷，诸如bscco(铋锶钙铜氧化物)或rebco(其中re是稀土元素，通常是y或gd)。其他hts材料包括铁基磷族化合物(iron pnictides)(例如feas和fese)和二硼化镁(mgb2)。
2、rebco通常制成带状，结构如图1中所示。这种带100通常大约100微米厚，并且包括基底101(典型地，大约50微米厚的电解抛光哈氏合金(hastelloy)(tm))，在该基底上通过ibad、磁控溅射或另一种合适的技术沉积一系列厚度大约为0.2微米的缓冲层，其被称为缓冲堆叠102。外延rebco-hts层103(通过mocvd或另一种合适的技术沉积)覆盖在缓冲堆叠上，并且通常为1微米厚。1至2微米的银层104通过溅射或另一种合适的技术沉积在hts
3、基底101提供了机械支柱，该机械支柱可以被输送通过生产线并且允许后续层的生长。缓冲堆叠102需要提供双轴织构的晶体模板，在其上生长hts层，并且防止元素从基底向hts化学扩散，该化学扩散会破坏hts的超导特性。通常要求银层104提供从rebco到稳定器层的低电阻界面，并且稳定器层105在rebco的任何部分停止超导(进入“正常”状态)的情况下提供备选电流路径。
4、hts带可以布置成hts电缆，在本文也可以称为hts总成(assembly)。本文所指的hts电缆包括一个或多个hts带，这些带通常经由导电材料(通常是铜)沿其长度连接。hts带可以是堆叠的(即布置成使得hts层是平行的)，或者它们可以具有带的一些其它布置，这些布置可以沿着电缆的长度变化。hts电缆的显著特例是单根hts带和hts对。hts对包括一对hts带，其布置成使得hts层平行。在使用基底带的情况下，hts对可以是0型(hts层彼此面对)、1型(一个带的hts层面对另一个带的基底)或2型(基底彼此面对)。包括多于两个带在内的电缆可以将一些或所有带布置成hts对。堆叠的hts带可以包括hts对的各种布置，最常见的是1型对堆叠或者0型对和(或者等效地，2型对)堆叠。
5、hts带(以及一般的超导体)的重要特性是“临界电流”(ic)，其是满足如下条件的电流：在给定的温度和外部磁场下，hts在该电流下将生成足够的电压来驱动一部分该电流进入稳定器层。超导转变的特性点(在这个点上超导体被认为“变得正常”)在某种程度上是任意的，但通常取在带产生e0＝每米10或100微伏时的点。临界电流可取决于许多因素，包括超导体的温度和在超导体处的磁场。在后一种情况下，磁场强度和磁场中超导体晶轴的取向都是重要的。
6、图2示出了示例性rebco带200在xz平面中的截面。rebco层本身是结晶的，并且rebco晶体的主轴被示出为带中的一个点。rebco带以简化形式示出，其具有hts层201、铜包层202和基底203。rebco的晶体结构具有彼此垂直的三个主轴，在本领域中称为a、b和c。为了本专利技术的目的，忽略临界电流对ab平面中磁场分量的取向的任何依赖性，使得a轴和b轴可以被认为是可互换的，使得它们将仅被认为是“ab平面”(即由a轴和b轴限定的平面)。在图2中，rebco层201的ab平面示出为垂直于c轴220的单线210。在许多带中，ab平面210与hts层201的平面紧密对准，但这不是一般情况。
7、带的临界电流取决于rebco晶体的厚度和质量。它还具有与环境温度和所施加的磁场的场强的近似逆向依赖性(inverse dependence)。最后，它还取决于所施加磁场相对于c轴的取向。当施加的磁场矢量位于ab平面210中时，临界电流比当施加的磁场矢量沿着c轴220对准时高得多。在“ab平面外”磁场取向下，临界电流在这两个极端之间平滑变化。(实际上，使临界电流出现峰值的角度可多于一个。此外，峰值的幅度和宽度随着施加的磁场和温度这二者变化，但是为了解释的目的，我们可以考虑具有单个主峰值的带，该主峰值定义了产生最大临界电流的施加b磁场的最佳取向)。
8、rebco带通常被制造成使得c轴尽可能接近垂直于带平面。然而，一些市售带的c轴与x/y平面中的垂线成高达35度的角。
9、对于hts电缆，假设电缆沿其整个长度处于均匀的温度和均匀的磁场中，堆叠中所有带的临界电流将相对均匀。在这种情况下，当电缆附接到电源时，根据欧姆定律，电流将按照电缆两端的端接电阻的比例在带之间分配。然而，在许多情况下，电流分布可受到许多因素的影响，诸如局部磁场的场强的变化，或者电缆内沿着带的长度或者跨带的宽度的相对于rebco层的c轴的磁场角度的变化。
10、包括高温超导体在内的磁体可以用在聚变反应堆中，诸如球形托卡马克(st)，以约束处于非常高温度的等离子体。球形托卡马克为商业聚变发电厂提供了显著的优势，包括每单位等离子体体积更高的热功率和显著的自举电流。这些优势使得更小、更高效的机器得以开发，加快了开发进度并且减少了回收功率。世界各地对st物理学的理解不断取得进展，诸如mast、nstx和st40等实验装置，它们都使用脉冲电阻磁体。
11、商业发电厂需要超导磁体用于长脉冲或连续运行，并且使净发电量最大化。这在以前是st的一个障碍，因为环形磁场(tf)磁体的细长中心柱导致了在超导体上的磁场超过了常规低温超导体(lts)的能力。来自多个供应商的高性能rebco涂层导体(“带”)的最近商业可用性使得在比使用lts的常规纵横比的托卡马克更小的规模上的高磁场st可行，该高磁场st具有证明使用d-t燃料的净功率增益(q＞1)的任务。如果能够实现足够厚的中子屏蔽(＞25cm)，则在轴线上具有4t磁场的1.4m主半径(major radius)的hts st能够实现这一任务。
12、图3a示出了球形托卡马克300的垂直截面，该球形托卡马克300包括环形磁场线圈301、极向磁场线圈303和位于环形磁场线圈301内的环形等离子体室305。托卡马克300还包括中心柱307，该中心柱307延伸穿过等离子体室305以及环形磁场线圈301和极向磁场线圈303的中心。d形环形磁场线圈301中的每一个包括沿中心柱307的轴线a-a’延伸的近似直线部分309(t本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于托卡马克等离子体室的环形磁场线圈的中心柱，所述中心柱包括：
2.根据权利要求1所述的中心柱，其中，每个HTS带的临界电流逆向依赖于在所述HTS带处的磁场强度，使得所述临界电流随着所述磁场强度的增加而降低，并且在所述第一HTS总成处的磁场强度大于在所述第二HTS总成处的磁场强度。
3.根据权利要求1或2所述的中心柱，其中，所述HTS带中的每一个具有关于所述HTS带的HTS材料的晶体结构来定义的相关平面，并且每个HTS带的临界电流取决于在所述HTS带处的磁场与所述HTS带的平面之间的磁场角度，所述临界电流随着所述角度的增大而减小，所述HTS总成被布置成使得所述磁场与所述第一HTS总成的所述HTS带或每个HTS带的平面之间的磁场角度大于所述磁场与所述第二HTS总成的所述HTS带或每个HTS带的平面之间的磁场角度。
4.根据权利要求3所述的中心柱，其中，对于所述HTS总成中的每一个，所述HTS总成的HTS带的各个平面彼此平行，并且可选地，所述第一HTS总成中的HTS带的平面平行于所述第二HTS总成中的HTS带的平面。
5.根据前
6.根据权利要求5所述的中心柱，其中，所述冷却机构包括低温流体流经的一个或多个通道。
7.根据权利要求6所述的中心柱，其中，所述冷却通道或每个冷却通道沿平行于所述中心柱的轴线的方向延伸。
8.根据权利要求6或7所述的中心柱，其中，所述冷却通道或每个冷却通道与所述第一HTS总成之间的热阻小于所述冷却通道或每个冷却通道与所述第二HTS总成之间的热阻。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的中心柱，其中，所述冷却通道或每个冷却通道与所述第一HTS总成之间的最短距离小于所述冷却通道或每个冷却通道与所述第二HTS总成之间的最短距离，所述距离中的每一个均在垂直于轴线的平面内测量。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的中心柱，其中，所述冷却通道或每个冷却通道比所述第一HTS总成和所述第二HTS总成这二者更远离所述中心柱的轴线。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的中心柱，其中，邻近所述第一HTS总成的冷却通道的密度大于邻近所述第二HTS总成的冷却通道的密度，和/或邻近所述第一HTS总成的冷却通道的相应截面积大于邻近所述第二HTS总成的冷却通道的相应截面积。
12.根据前述权利要求中任一项所述的中心柱，其中，所述第一HTS总成和所述第二HTS总成各自包括多个HTS带，每个HTS带具有关于所述HTS带的所述HTS材料的晶体结构来定义的相关联的ab平面，在所述HTS总成的每一个内所述HTS带的相应ab平面彼此平行。
13.根据前述权利要求中任一项所述的中心柱，还包括具有一个或多个通道的支撑构件，所述通道或每个通道优选地沿平行于所述中心柱的轴线的方向延伸，所述第一HTS总成和所述第二HTS总成被设置在所述支撑构件的所述一个或多个通道中。
14.根据权利要求13所述的中心柱，其中，所述支撑构件的至少一部分由导热材料制成，并且所述冷却机构被配置成通过所述支撑构件的面来冷却所述支撑构件的所述部分，所述支撑构件的所述面与所述支撑构件的所述部分的主体部分邻接，所述主体部分通过所述支撑构件的所述通道或每个通道的一个或多个壁与所述第一HTS总成和/或所述第二HTS总成接触，所述第一HTS总成和所述第二HTS总成设置在所述支撑构件的所述通道或每个通道中，由此所述第一HTS总成和/或所述第二HTS总成由所述支撑构件的所述部分来冷却。
15.根据权利要求14所述的中心柱，其中，所述导热材料包括铜，优选为硬铜。
16.根据权利要求14或15所述的中心柱，其中，所述第二HTS总成的至少一部分位于所述第一HTS总成的径向内侧，所述部分与所述支撑构件的由所述冷却机构冷却的所述部分的主体部分热接触，由此热量经由所述支撑构件的由所述冷却机构冷却的所述部分从所述第二HTS总成的所述部分传递到所述冷却机构。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的中心柱，其中，所述支撑构件包括另一部分，所述另一部分位于由所述冷却机构冷却的所述部分的径向内侧，并且具有比由所述冷却机构冷却的所述部分更高的机械强度。
18.根据前述权利要求中任一项所述的中心柱，其中，所述冷却机构被配置成将所述HTS带中的每一个冷却到低于所述HTS带中的HTS材料的临界温度。
19.一种...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于托卡马克等离子体室的环形磁场线圈的中心柱，所述中心柱包括：
2.根据权利要求1所述的中心柱，其中，每个hts带的临界电流逆向依赖于在所述hts带处的磁场强度，使得所述临界电流随着所述磁场强度的增加而降低，并且在所述第一hts总成处的磁场强度大于在所述第二hts总成处的磁场强度。
3.根据权利要求1或2所述的中心柱，其中，所述hts带中的每一个具有关于所述hts带的hts材料的晶体结构来定义的相关平面，并且每个hts带的临界电流取决于在所述hts带处的磁场与所述hts带的平面之间的磁场角度，所述临界电流随着所述角度的增大而减小，所述hts总成被布置成使得所述磁场与所述第一hts总成的所述hts带或每个hts带的平面之间的磁场角度大于所述磁场与所述第二hts总成的所述hts带或每个hts带的平面之间的磁场角度。
4.根据权利要求3所述的中心柱，其中，对于所述hts总成中的每一个，所述hts总成的hts带的各个平面彼此平行，并且可选地，所述第一hts总成中的hts带的平面平行于所述第二hts总成中的hts带的平面。
5.根据前述权利要求中任一项所述的中心柱，其中，所述第一hts总成与所述中心柱的轴线之间的距离大于所述第二hts总成与所述中心柱的轴线之间的距离，所述距离中的每一个均在垂直于所述轴线的平面内测量。
6.根据权利要求5所述的中心柱，其中，所述冷却机构包括低温流体流经的一个或多个通道。
7.根据权利要求6所述的中心柱，其中，所述冷却通道或每个冷却通道沿平行于所述中心柱的轴线的方向延伸。
8.根据权利要求6或7所述的中心柱，其中，所述冷却通道或每个冷却通道与所述第一hts总成之间的热阻小于所述冷却通道或每个冷却通道与所述第二hts总成之间的热阻。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的中心柱，其中，所述冷却通道或每个冷却通道与所述第一hts总成之间的最短距离小于所述冷却通道或每个冷却通道与所述第二hts总成之间的最短距离，所述距离中的每一个均在垂直于轴线的平面内测量。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的中心柱，其中，所述冷却通道或每个冷却通道比所述第一hts总成和所述第二hts总成这二者更远离所述中心柱的轴线。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的中心柱，其中，邻近所述第一hts总成的冷却通道的密度大于邻近所述第二hts总成的冷却通道的密度，和/或邻近所述第一hts总成的冷却通道的相应截面积大于邻近所述第二hts总成的冷却通道的相应截面积。
12.根据前述权利要求中任一项所述的中心柱，其中，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·斯莱德，
申请(专利权)人：托卡马克能量有限公司，
类型：发明
国别省市：
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