为下一代实验聚变装置设计的混合中央螺线管高温超导部分的失超分析

《Cryogenics》：Quench analysis of HTS part of the hybrid central solenoid designed for the next generation experimental fusion device

　　

• •
  对下一代实验性聚变装置混合中心螺线管的高温超导部分进行了热工水力分析和失超分析。
• •
  使用 THEA 模拟了导体在整个电流周期内的运行和两种失超情景。
• •
  考虑了由于交流耦合、涡流和磁滞损耗引起的热负载。
• •
  估算了导体的最高热点温度。

引言

托卡马克的磁体系统包括环形场线圈、中心螺线管（CS）、外部极向场线圈和校正线圈 [1]。中心螺线管在等离子体击穿和控制中起着关键作用，要求其能够承受快速磁场变化和多变的运行电流。目前，作为未来中国聚变工程试验堆（CFETR）的前奏，正在开发一种用于中型下一代实验性聚变装置的新中心螺线管设计，该装置旨在产生 40 至 200?MW 的聚变功率且能量增益因子 Q?>?1 [2], [3]。表 1 总结了正在研究的中心螺线管的最相关参数。

所考虑的中心螺线管由六个叠放的子线圈（CS3L-CS3U）组成，每个子线圈分为内部和外部模块（图 1a）。位于高场区域的内部子模块采用 YBCO 高温超导体（HTS），而外部低场子模块则采用 Nb?Sn 低温超导体（LTS）。同一子线圈中的高温超导和低温超导子模块以不同电流运行，并独立供电。每个高温超导模块由五个六边盘组成（见图 1b 示例），采用基于高温超导圆形芯导体（CORC）[4] 线概念均匀导体绕制而成。图 2 展示了所提出的导体设计方案。

我们之前的工作 [5] 致力于所提出的中心螺线管设计中高温超导部分的热工水力分析。我们模拟了几种导体在完整计划电流情景下的正常运行，结合了磁场的随时间演变以及交流损耗产生的热负载。我们对每根导体的分析追踪了温度裕量分布 ΔT_marg 的随时间演变，定义如下：$$\mathrm{\Delta }{T}_{\mathit{marg}}\left(x,t\right)=T_{\mathit{cs}}\left(x,t\right)–T_{\mathit{sc}}\left(x,t\right)$$其中 x 表示沿导体的坐标（氦入口处的 x?=?0），T_cs 是电流共享温度，T_sc 是超导体温度。然后记录每根导体的最小裕量，以验证高温超导系统在安全的热工水力限值内运行。在本工作中，我们专注于所选高温超导导体中失超起始和演化的分析。该研究旨在估算不同运行电流情景下失超期间的最高热点温度。

章节摘要

导体特性

分析的高温超导导体（图 2）由六根 CORC 型线芯围绕穿孔中心铜管（穿孔率 1.5%）扭绞而成，这使得中心通道和外部电缆区域之间能够横向流动氦气。每根 CORC 线芯具有一个包裹着高温超导和铜带的铜芯，外套在外部铜管中。整个组件封闭在钢套中。表 2 总结了主要几何和运行参数（更详细的特性见

随时间演变的最低温度裕量

在完整电流情景的模拟过程中，评估了沿导体的温度裕量分布，并在每个时间步长识别出空间最小值。图 6 显示了所分析的电缆 16 的 ΔT_marg 空间最小值的随时间演变（使用调整后的参数 A₀ 的标度律 (3) 获得）。ΔT_marg 的全局最小值（在时间和空间上）为 19.15?K，出现在电流周期的开始时，此时电流和磁场

总结、结论与展望

建立了下一代实验性聚变装置中心螺线管高温超导导体的 THEA 模型，并配备了专用的 UserMagneticField、UserCurrent 和 UserSHeating 过程用于失超模拟。该模型考虑了由于交流损耗引起的热负载以及匝间和盘间传热。电缆 16 承受最苛刻的运行条件，被选为详细分析对象，并在整个正常运行期间模拟了其热工水力行为

CRediT 作者贡献声明

Aleksandra Dembkowska: 写作 – 初稿，验证，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Monika Lewandowska: 写作 – 初稿，可视化，项目管理，方法论，资金获取，数据整理，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作是在 EUROfusion 联盟的框架内进行的，由 欧盟通过 Euratom 研究和培训计划 资助（资助协议编号 101052200 — EUROfusion）。然而，表达的观点和意见仅代表作者，不一定反映欧盟或欧洲委员会的观点。欧盟或欧洲委员会均不能对此负责。

本工作由 波兰 共同资助

Aleksandra Dembkowska|Monika Lewandowska