大口径CICC型高温超导磁体及其导体结构分析和性能研究
强磁场可对物质进行调控，为多学科的基础研究提供平台。现阶段，由内水冷磁体与外超导磁体组成的混合磁体是达到40T以上稳态强磁场最有效的装置。现有40T级以上混合磁体的外超导磁体都采用低温超导Cable-in-Conduit Conductors(CICC)导体绕制而成。但是低温超导体因其上临界场的限制，无法满足建设更高场混合磁体的要求。具有更高临界磁场的高温超导体，成为制造更高磁场强度超导磁体的必然选择。另外，未来除了提供更高的中心场强，超导磁体的内部孔径及径向尺寸将趋于更大，大口径CICC型超导磁体的设计将是研制更高场混合磁体的一个发展方向。本文围绕大口径CICC型高温超导磁体及其导体结构分析和性能研究，开展了多种实用化高温超导材料部分特性的研究工作;研究了基于REBa2Cu3O7-x(REBCO)带材的两种导体结构并对其进行了分析与优化;基于优化后的TSTC CICC导体给出了大口径高温超导CICC型磁体的初步设计方案，并对磁体的力学性能进行了研究。 本文首先详细比较了几类常用高温超导体(Bi2Sr2CaCu2O8-x(Bi2212)、(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O10-x(Bi2223)、REBCO与铁基超导体)的力学与电磁性能，探究这几类导体在高场下的应用前景，分析了REBCO与铁基超导体在高场下的应用优势，但是铁基超导体在高场下的性能还有待进一步研究。 其次，为了验证铁基超导长带材在高场下应用的可行性，利用Ba122型带材绕制了高场内插线圈。经过对热处理与绕制工艺的改进，完善了线圈绕制工艺，同时在30T背景场下对线圈的载流与过流能力进行了测试，分析了铁基超导带材在高场下应用的不足之处。 再次，提出了两种基于REBCO带材的导体结构。简要介绍了CORC电缆绕制参数与REBCO带材应变的关系，通过大量的对比实验，研究了中心骨架直径、带材的绕制角度、带材的宽度和带材铜稳定层的厚度与电缆临界电流的关系。利用实验结果拟合出了电缆载流能力与绕制参数的关系表达式，提出了CORC电缆较为优化的结构设计方案。 然后，基于TSTC导体的概念，设计了一种可用于高场磁体的TSTC CICC导体结构。TSTC CICC导体在高场下通电运行时将承受较大的横向电磁载荷作用，REBCO带材厚度方向的临界拉伸应力与带材宽度方向的临界压缩应力较小，受横向载荷影响较大。本文研究了在横向载荷作用下超导叠角度、铠甲厚度、载荷强度、不同类型带材与导体中REBCO带材应力应变的关系，为导体结构优化与超导叠中REBCO带材类型的选取提供了参考，验证了TSTC CICC导体在高场下应用的可行性。 最后，基于TSTC CICC导体结构给出了高温超导磁体的初步设计方案。为了研究TSTC CICC型超导磁体在高场下的力学性能，设计了以水冷磁体、TSTC CICC型超导磁体、Nb3Sn CICC型超导磁体组成的混合磁体，并对混合磁体的电磁特性进行了分析。对混合磁体外超导磁体正常态运行时的力学性能进行了分析并利用国际热核聚变实验堆(ITER)结构设计准则对超导磁体导体铠甲的强度进行了分析和校核，评估了外超导磁体导体铠甲的疲劳寿命。对外超导磁体与内水冷磁体因对称轴或磁中心偏移而产生的电磁力进行了计算，对两个磁体因对称轴偏转而产生的力矩进行了计算。
高温超导磁体;结构分析;力学性能;电磁性能
中国科学技术大学
博士
核能科学与工程
陈文革
2021
中文
TM26
2022-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）