高场CICC型超导磁体安全稳定性研究
强磁场为探索研究新物质和新现象提供了一个重要实验平台，世界上主要强磁场研究机构都在寻求建造更高场强的磁体装置。Cable-in-Conduit Conductor(CICC)导体凭借其优异的机械性能、高载流能力以及低交流损耗，成为建造大型超导磁体装置的第一选择。由于超导磁体装置复杂且设计建造成本高，因此超导磁体装置的安全稳定性是磁体设计首要考虑因素。超导磁体稳定性受超导材料、导体结构、工作磁场、运行电流、以及低温系统等各种因素综合影响，因此需要采用模拟分析和实验研究相结合的方法，对超导磁体进行稳定性分析和校正，从而为超导磁体设计和运行提供参考依据，确保超导磁体的安全和稳定。 本文以高场CICC型超导磁体为研究 对象，从稳定性角度出发，对CICC导体的稳定性分析模型构建、分析模型求解方法和CICC导体稳定运行基本条件等方面进行详细研究，在GANDALF程序基础上构建了CICC超导磁体稳定性分析模型。利用分析模型对45T混合磁体外超导磁体在各种运行工况下的稳定性进行了详细分析;结合45T混合磁体实验运行测量结果对分析模型进行修正;并基于已验证模型对混合磁体外超导磁体45.2T运行工况下以及未来55T混合磁体外高温超导磁体的稳定性进行了系统分析，这些分析结果能为混合磁体以后实验运行和冲击更高场强，以及55T混合磁体外高温超导磁体的设计优化提供重要参考依据。本文针对CICC型超导磁体(包括低温超导CICC磁体和高温超导CICC磁体)的稳定性分析工作能为其他超导磁体装置提供重要参考。 首先，本文对CICC型超导磁体安全稳定性理论及影响稳定性的因素进行了介绍，从稳定性分析零维模型和一维模型开始，对CICC导体的热工水力方程组及其数值近似解和主要计算程序进行了详细的分析阐述。分析了CICC导体稳定运行的基本条件，包括导体结构、运行条件、CICC导体温度裕度、稳定性裕度和热点温度，介绍了本文分析所涉及超导股线的临界电流定标率。 其次，对45T混合磁体外超导磁体在正常励磁、单独掉电以及水冷磁体trip导致超导磁体掉电等各种运行工况下各线圈的安全稳定性进行了详细分析，对各线圈的最小温度裕度、热点温度和导体内氦压等有关导体稳定性的关键参数进行了系统分析研究，同时对后续即将开展的45.2T高场实验中外超导磁体的安全稳定性进行了预测分析，分析结果表明基于目前的运行和失超保护方案，超导磁体在各种运行工况下都是安全的。 然后，对45T混合磁体外超导体的稳定性进行实验研究。从确保超导磁体安全稳定的角度出发，对超导磁体失超检测和保护系统中的移能电阻、失超检测延时时间以及失超保护阈值电压等关键参数选取进行了分析计算。介绍了超导磁体降温过程，其中在降温过程中为避免超导材料热应变过大导致性能退化，将冷却通道温差保持在50K以内。对45T混合磁体调试运行过程中不同工况下超导磁体稳定性相关参数的测量结果进行详细分析，讨论了分析值与测量值出现误差的原因，并对分析模型进行修正。同时分析研究了实际运行过程中出现的两次失超案例，针对高温超导电流引线触发超导磁体失超保护的情况，提出进行高场实验时可利用液氮槽冷却高温超导电流引线的方案，在后续实验运行得到验证。 最后，基于以上分析模型进一步拓展建立了Bi2212CICC超导磁体稳定性分析模型，对未来55T混合磁体中Bi2212CICC高温超导磁体按不同速度励磁及快速掉电工况下的稳定性进行了初步预测分析，根据分析得到的结果建议超导磁体励磁速率定为30A/s～40A/s，并给出了后续导体设计优化相应的参考建议。
超导磁体;安全稳定性;励磁特性;单独掉电;水冷磁体
中国科学技术大学
博士
核能科学与工程
匡光力
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）