《Cryogenics》：Proposal of a GIGA stellarator magnet system with a low-voltage fast discharge
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•提出了一种适用于托卡马克磁体系统的低压快速放电方案。•磁能通过结构板耗散，而非通过外部转储电阻。•通过电路仿真评估电压分布和压敏电阻能量。•通过合理配置压敏电阻，可将导体对地电压限制在±500 V以内，导体对板电压限制在160 V以下。引言高斯聚变（GFG）正在建设一座吉瓦
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提出了一种适用于托卡马克磁体系统的低压快速放电方案。
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磁能通过结构板耗散，而非通过外部转储电阻。
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通过电路仿真评估电压分布和压敏电阻能量。
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通过合理配置压敏电阻，可将导体对地电压限制在±500 V以内，导体对板电压限制在160 V以下。
引言
高斯聚变（GFG）正在建设一座吉瓦级托卡马克聚变反应堆（GIGA）[1]。图1展示了GIGA磁体系统的概念图，该系统由40组具有不同几何形状的5种非平面线圈组成，总磁能达到约100 GJ。如此大量的磁能需要快速放电/提取，以确保磁体的安全保护。同时，较短的放电时间常数会导致较大的端对端电压（线圈电压）或端对地电压，从而增加绝缘失效的风险，如Paschen放电或电弧[2]、[3]。意外放电会释放大量储存的磁能，可能导致线圈永久损坏，严重影响磁体运行，正如文献[4]、[5]及相关安全要求所述。此外，高压磁体系统需要具有高等介强度的材料，这给实施和认证带来了诸多挑战。因此，从安全性和可制造性的角度来看，应尽可能降低线圈电压。
出于这些原因，GFG为GIGA提出了一种低压（LV）磁体系统方案[1]。图2展示了GIGA线圈的结构，由堆叠的导体绕组和嵌入在凹槽板（GP）与电阻板（RP）中的部分组成。每块板包含一个环形绝缘断口，并在导体与GP之间以及GP与RP之间实现了绝缘系统。目前每块板设计为包含12根导体，将堆叠至10层，从而使一个线圈的导体绕组总匝数达到120匝。需要注意的是，尽管导体与板之间具有绝缘，但有意提供了永久性电气连接，以便在快速放电时将电流转移到板上，如下文所述。低压磁体方案提出通过用于机械支撑导体的板来放电线圈中储存的能量，而不是使用外部转储电阻。通过这一方案，不仅可以降低线圈电压，还可以减少穿过低温容器的真空穿透数量，从而大大降低电气故障的风险并放宽绝缘系统的电气要求。目前的目标标称电压为：端对地电压在±500 V以内，导体对线圈板接口电压< 160 V，板的电阻应足够小，即≤10 mΩ（= 500 V × 2.0 / 100 kA），以满足这些要求。需要注意的是，低压下Paschen击穿电压约为160 V[2]；因此，从导体到线圈板或板之间的短路风险将变得可以忽略不计。尽管端对地电压为500 V，仍高于Paschen击穿电压，但远低于ITER TF线圈（>数千伏[6]）的电压，绝缘要求包括介电耐受电压可以大幅放宽。
本文基于SPICE电路仿真和GIGA磁体系统的数值模型，讨论了低压线圈方案的可行性。第II节描述了低压快速放电方案。第III节和第IV节展示了数值模型的细节和仿真结果，第V节为结论。
各节摘录
低压快速放电方案
传统上，磁体中储存的能量通过放置在低温容器外的外部电阻以相对较短的时间常数（< 30 s）进行放电，如ITER[7]和JT-60SA[8]的磁体系统所实施的方案。然而，如此短的时间常数会引起较高的感应电压，例如ITER TF线圈的端对地电压超过3 kV[6]。此外，使用外部转储电阻需要通过电气绝缘体进行大量的真空穿透。
用于电路仿真的数值模型
磁体系统中的电压分布和压敏电阻中耗散的能量是评估低压快速放电方案可行性的两个关键参数。图4展示了仿真中使用的数值模型。使用在LTspice[9]中开发的数值模型进行电路仿真以评估这些参数。本研究开发了两个数值模型：一个简化的40线圈系统模型（40线圈模型）和一个简化的39线圈系统组合模型。
GIGA 40线圈系统的端电压分布
图6展示了以下两种情况下的端对地电压（端电压）仿真结果：（a）不使用压敏电阻，以及（b）在线圈（C = 22.0）和母线（C = 1.27）中并联安装SiC压敏电阻单元，处于差模耦合条件下。在情况（a）中，由于GP和RP的电感，开关断开时端电压达到百万伏量级。相比之下，在情况（b）中，端电压被有效限制在430 V。
结论
本文提出了一种适用于大型聚变磁体系统的低压快速放电方案，该方案通过结构板结合基于压敏电阻的浪涌抑制来耗散储存的磁能，并通过数值方法评估其可行性。该方案的目标是在避免传统外部转储电阻相关风险的同时，抑制端电压。
使用简化的40线圈模型和混合保真度的39+1线圈模型进行电路仿真。
CRediT作者贡献声明
Shin Hasegawa：撰写——初稿。Tommaso Bagni：撰写——审阅与编辑。Albrecht Herrmann：撰写——审阅与编辑。Neil Mitchell：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
Neil Mitchell拥有高斯聚变有限公司的待批专利#SP14051 - Niederspannungsspule: Magnetspulenanordnung, insbesondere für eine Kernfusionsanlage, und Verfahren zum Betrieb einer Magnetspulenanordnung。如果有其他作者，他们声明没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能对他们的研究工作产生影响。
致谢
本工作得到了德国联邦研究、技术与太空部（BMFTR）在"聚变2040——迈向聚变电厂的研究"资助计划下的支持，合同编号13F1001D。
Shin Hasegawa|Tommaso Bagni|Albrecht Herrmann|Neil Mitchell
