基于SULTAN样品和环向场插入线圈数据库的ITER环向场线圈临界电流预测新方法

《Cryogenics》：A novel methodology to predict T cs in ITER TF coils based on sultan samples and TF insert coil database

　　

• 论文"基于Sultan样品和TF插入线圈数据库预测ITER TF线圈Tcs的新方法"的亮点。
• 提出了预测ITER TF线圈Tcs的方法论。
• Tcs方法论基于SULTAN直棒样品，并通过TF插入线圈测量进行验证。
• 预测了在磁体冷试设施（MCTF，ITER为测试TF线圈而开发的设施）运行期间TF线圈的Tcs。
• 预测了托卡马克运行期间TF线圈的Tcs。

引言

聚变装置中的超导磁体在运行过程中会受到多种机械载荷的组合，包括电磁力、热应力和重力效应[1]、[2]。在ITER托卡马克中，洛伦兹力（I×B）产生的横向电磁载荷可达约800 kN/m[2]。由于钢护套与超导股线之间的热收缩失配，在导体中还会产生纵向应力[3]、[4]。这种应力在导体从约650°C的热处理温度冷却至4.5 K的低温条件时，以及在反复升降温至中间温度（80 K）或室温（RT）的过程中产生。此类热循环通常称为升温-降温（WUCD）循环[5]、[6]。

电磁载荷和热循环都可能对导体性能产生负面影响，尤其是对Nb3Sn基线圈，如ITER中心螺线管（CS）和环向场（TF）磁体[7]、[8]、[9]。已识别出两种主要的性能退化机制[10]。第一种与Nb3Sn临界电流对应变的固有敏感性有关，这即使在可逆弹性变形范围内也会发生。第二种涉及超导丝芯的塑性变形或永久性损伤，导致其载流能力的永久性降低。

在ITER CS导体的早期设计阶段[11]，在瑞士威利根的SULTAN设施进行的测试表明，当样品同时受到电磁和热循环载荷时，分流温度（Tcs）会出现下降[12]。对这些样品的分析[13]显示，这种退化是由于缆线高场区域的股线过度变形引起的。该问题通过修改导体设计得到了解决：缩短了原始第一级绞合节距，从而获得了一种不会表现出退化的导体[14]，而是表现出稳定的性能。得出的经验教训是，限制股线的运动可以防止丝芯的损伤。

在ITER TF导体中也观察到了类似的电机械循环载荷下的性能下降[15]、[16]。然而，在这种情况下，由于导体生产已达到的先进阶段以及可接受的温度裕度（尽管存在电磁循环退化，但仍认为足够），设计未作修改。

在循环载荷下，无论是微观层面还是宏观层面，驱动性能退化的确切机械机制仍未完全阐明[10]。实验和数值研究表明应避免股线运动，因为这可能导致局部高应变、丝芯损伤和股线屈曲[17]。

本文提出了一种预测TF线圈Tcs的经验方法论。该方法论基于在SULTAN设施（瑞士等离子体中心，威利根，瑞士）对TF生产直棒样品[15]进行的实验测试，以及同样在SULTAN测试的TFIO样品[16]。这两组测量数据用于确定标度拟合参数，然后用于预测类似导体在不同运行条件下的性能，后文将详细讨论。

该方法论通过与TF Insert测试结果进行比较进行验证，TF Insert是一个单层螺线管，在日本那珂QST的CSMC磁通孔中进行了测试[18]、[19]。这一基准允许评估该方法论的可靠性，该方法论从不受环向应变影响的直棒样品结果外推出存在环向应变的线圈的预期分流温度。

此处的Tcs定义为电场达到临界电场（Ec）时的温度，Ec等于10 μV/m，见公式（1）。在该温度下，工作电流等于临界电流。

在T=Tcs时，ETcs=Ec，I Ic(Beff,εeff,n)=Ec

其中I为传输电流，Ic为临界电流[20]，Beff为有效磁场[21]，n为n值。对所有股线制造商采用相同的参数化临界电流公式[20]，配以制造商特定参数[15]。

鉴于Nb?Sn临界电流对应变的敏感性，尽管简化，应变分布的描述非常重要。在本文提出的方法论中，使用有效应变，定义为在缆线截面中产生与缆线相同分流温度的均匀应变值[21]。

有效应变计算为三个贡献之和[22]，如公式（2）所示：

εeff=εth+εI×B+εhoop=εth+kIB+αεhoop

在公式（2）中，εth代表纵向热应变，由SS护套与超导股线在降温过程中的差异热收缩引起。εI×B是由于横向I×B力贡献的应变，该力导致股线压向护套产生横向压缩。该应变分量假设严格线性正比于洛伦兹力εI×B=kIB，此处称为压碎应变[22]。εhoop贡献代表从护套传递到缆线股线的纵向环向应变，通常为护套总环向应变的80%到90%之间的比例（α）[22]。

本工作开发的方法论应用于预测TF线圈的Tcs，包括在磁体冷试设施（MCTF）测试期间和托卡马克运行期间。这对于准确确定线圈的温度裕度至关重要。本文展示并讨论了Tcs分布图以及MCTF运行条件和等离子体运行条件下计算得到的最小Tcs值。

段落摘要

ITER TF样品在SULTAN设施的测试活动

此处提出的方法论始于在SULTAN设施（SPC，瑞士威利根）对一系列ITER环向场（TF）导体样品测试的结果。在测试中，每根直棒样品长3.6 m，高磁场施加区域长0.45 m。在测试活动中，首先在标称磁场和电流下测量Tcs；然后，样品经历1000次传输电流从0 kA到标称值（TF测试活动中为68 kA）的循环。

ITER TFIO样品在SULTAN设施的测试活动

在所谓的TFIO测试活动中，与上一节描述的生产样品典型测试相比，TF样品的Tcs测试遵循了不同的测试协议。不是在SULTAN直流线圈的标称传输电流和背景磁场条件下施加循环载荷，而是通过不同电流和磁场值的组合以及循环载荷下的逐步增加EM载荷来进行测试。

在初始条件下提出的k和εth参数组合

为确定使用Jastec股线制造且在初始条件下的导体最终k和εth参数组合，使用了在183.6 kAT下从TFIO1右腿和TFIO2左腿测试获得的初始条件下平均有效应变值（TFIO1R为-0.67%，TFIO2L为-0.70%，非常相似）以及在733 kAT下TFJA8两腿的初始条件下值。在这些情况下，样品未经过EM和热循环退化。这两组数据的线性拟合确定……

方法论的基准：预测TF插入线圈的Tcs

通过计算TF Insert（TFI）的Tcs值来对计算Tcs的方法论进行基准验证，TFI是一个45 m长的单层螺线管，使用Jastec股线制造的ITER TF CICC绕制，并在日本那珂QST的CSMC磁通孔中进行了测试[18]、[19]。Tcs测试在EM和热循环后以不同的EM载荷值进行，这些EM载荷值由TFI中的传输电流和CSMC背景磁场的组合获得。

EM和热循环对Tcs的影响

在TF Insert、TFJA8、TFIO1和TFIO2样品中都进行了多次电磁和热循环，这些样品均使用Jastec股线制造。

图10中展示了不同EM和热循环次数下测试的有效应变与EM载荷的关系。为了将TF Insert（具有环向应变贡献）的结果与TFAJ8、TFIO1和TFIO2样品（无环向应变）的结果进行比较，需要从TF Insert的有效应变值中去除环向应变……

MCTF构型下Tcs的预测

此处提出的方法论可应用于预测磁体冷试设施（MCTF）中TF线圈独立构型下的Tcs，MCTF是ITER为测试TF线圈而开发的设施。图13a和13b分别展示了线圈工作电流为68 kA且无背景磁场时MCTF中TF线圈的磁通密度分布和环向应变。

用于组装19个TF线圈（18个线圈加上……）的来自不同公司的导体……

结论

本工作提出了一种基于有效应变公式预测ITER环向场（TF）导体分流温度（Tcs）的方法论。有效应变表示为热应变、电磁（压碎）应变和环向应变贡献之和。该方法论源自在SULTAN设施测试的直棒样品实验数据。

分析表明使用从初始条件推导出的参数的重要性，这些参数通过结合结果获得……

CRediT作者贡献声明

L. Cavallucci：撰写——原稿，方法论。M. Breschi：撰写——审阅与编辑，方法论。Y. Miyoshi：撰写——审阅与编辑，方法论。C. Hoa：撰写——审阅与编辑，方法论。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

意大利博洛尼亚大学的工作由ITER组织在合同#IO/24/CT/4300003238下支持。

L. Cavallucci|M. Breschi|Y. Miyoshi|C. Hoa