复杂电磁环境下聚变高温超导中心螺管磁体的磁滞损耗机理研究

Hysteresis loss is one of the most important factors that affect the stability and operation security of high temperature superconducting magnet of magnetic confinement fusion device. As we all know, large current transient of the magnet itself and rapidly- changing magnetic field coupling which is caused by multi-coil system are two extreme operating conditions during the periodic discharge of fusion plasma. These are of vital importance for the theoretical research of superconducting magnet hysteresis loss. The project focuses on hysteresis loss of high temperature superconducting central solenoid used for magnetic confinement fusion device with theoretical and experimental methods: 1. Firstly, the project shall study both the asymmetric critical magnetic field’s penetrating effect and the current density distribution of the central solenoid magnet. The study is carried out under the conditions of infield/outfield transient coupling superposition and plasma current dynamic response. 2. Secondly, the project shall investigate the mutual impact between the coupling effect and hysteresis loss. The coupling effect refers to the effect between multi-coil system’s coupling magnetic field and plasma current’s varying features (displacement, linear and nonlinear exponential decay).The research shall reveal hysteresis loss mechanism of high temperature superconducting central solenoid magnet under complex fusion conditions such as plasma EQ (equilibrium) normal state, VDE (vertical displacement event) and MD (main disruption). Besides, it will explore an effective method for theoretical study of hysteresis loss of high temperature superconducting magnet. Furthermore, this will provide a theoretical basis and analytical platform for the stable and safe application of high temperature superconducting magnet to magnetic confinement fusion devices.

磁滞损耗问题是影响聚变装置高温超导磁体稳定性和安全运行的重要因素之一。磁体自身大载流瞬态变化和外部多线圈系统形成的复杂快速变化耦合磁场，是托卡马克聚变装置等离子体周期性放电过程中超导磁体磁滞损耗理论研究所面临的极端运行工况。本项目致力于聚变装置高温超导中心螺管磁体的磁滞损耗问题，拟采用理论和实验方法：1.研究自场和外场瞬态耦合叠加、等离子体电流动态响应下的中心螺管磁体非对称临界磁场穿透效应和电流密度分布规律；2. 考察多线圈系统耦合磁场和等离子体电流时变特征（位移、线性和非线性指数衰减）复合效应与磁滞损耗之间的相互影响规律。通过研究，揭示等离子平衡EQ正常态、垂直位移事件VDE和大破裂MD事故态工况下高温超导中心螺管的磁滞损耗机理，探索一条适用于聚变高温超导磁体磁滞损耗理论研究的有效途径，为高温超导磁体稳定安全应用于磁约束聚变装置提供理论依据和分析平台。

磁滞损耗是影响聚变装置高温超导磁体的稳定性及其安全运行的重要因素之一，因此对磁滞损耗的快速且准确的评估是磁体设计和建造工作的重要一环。为了实现托卡马克中处于复杂磁场环境下的高温超导中心螺管磁体的磁滞损耗计算，本课题完成了以下工作：(1)基于磁场方程和无限多匝线圈假设，发展了适用于大型磁体仿真和交流损耗计算的多尺度方法，该方法具有较高的准确度，可执行并行计算，运算效率比传统方法提高了2个数量级，并且对于包含更多带材的线圈，该方法的计算精度会进一步提升，新方法的发展解决了大型高温超导磁体难以仿真和计算的难题，为后续研究打下基础；(2)搭建了实验平台，开展了一系列高温超导线圈测量实验，覆盖了单匝和百匝级线圈，系统地研究了高温超导线圈的磁滞损耗特性，并利用实验验证了多尺度方法的可靠性，为后续方法在大型线圈上的应用提供了可靠性保障；(3)利用多尺度方法研究了托卡马克中心螺管混合磁体中高温超导磁体的磁滞损耗，高温超导磁体中包含58.8万根Bi系线材，此研究充分反映了多尺度方法强大的计算能力，得到了整个磁体的交流损耗分布规律，具有重要指导意义；(4)发展了研究磁体稳定性的1D分析模型，并以磁滞损耗为输入，结合多线圈系统耦合磁场和等离子体电流时变特征（位移、线性和非线性指数衰减）复合效应，对磁体在不同扰动下的稳定性及其裕度做了研究，可为未来更全面及深入的研究提供参考。可见，本课题的工作逐步深入，形成了系统的研究，发展的方法，搭建的实验平台，计算和测量的各组数据，都将贡献于复杂电磁环境下高温超导中心螺管磁体的电磁研究。