高场高性能Nb3Sn CICC超导导体交流损耗特性的机理研究

With the more and more important role in the scientific research and national economy, high performance Nb3Sn Cable in Conduit Conductor (CICC) becomes the preferred conductor because of the the uique performance advantages and the important research With the more and more important role in the scientific research and national economy, high performance Nb3Sn Cable in Conduit Conductor (CICC) becomes the preferred conductor in superconducting technology and high field region because of the the uique performance advantages and the important research value. The AC losses of Nb3Sn CICC as a particular attribution brings the great harm for safe operation and has become one of the research hot pot in high performance Nb3Sn CICC area. This project mainly carries out the following two research contents based on the unique attibution and shortage in this research field presently: 1. Magnetiztion mechanism and hysteresis losses research of Nb3Sn CICC in different magnetic field and strain condition; 2. Study on Nb3Sn CICC coupling losses due to electromagnetic force load and circles. A detailed analysis and research on the magnetization and coupling mechanism affecting the safe operation of high performance Nb3Sn CICC is carried out which can improve the overall research level on superconducting technology in our country.

随着超导及强磁场技术在科学研究领域和国民经济中的地位及作用越来越突出，Nb3Sn管内电缆超导导体（CICC）由于独特的结构和性能上的优势成为高场磁体首选导体，具有重要的研究价值。交流损耗作为Nb3Sn CICC导体特有的属性，随着Nb3Sn CICC导体性能的提高，成为超导磁体安全运行的巨大危害，是高性能Nb3Sn CICC导体研究的热点之一。本项目主要针对Nb3Sn CICC导体独特的交流特性及国际上在此领域的发展趋势和研究不足，主要开展以下两个项目研究：1. 不同磁场区间及应变条件下Nb3Sn导体磁化机理及磁滞损耗研究；2. 电磁负载及循环对Nb3Sn CICC导体耦合损耗机理研究。通过理论模拟拟合和实验相结合的方法，对影响高性能Nb3Sn CICC导体安全运行的磁滞及耦合损耗机理的关键问题进行系统的分析研究，提高我国高场超导技术的整体研究水平。

交流损耗是Nb3Sn Cable-in-Conduit Conductors (CICCs)导体运行过程中主要的动态热负荷，其机理的研究对超导磁体的安全运行具有重要意义，本项目针对磁滞和耦合两种典型交流损耗问题进行了深入的研究。首先，利用振动样品磁化法(Vibrating Sample Magnetometer)设计了一个标准螺旋样品，开展了Nb3Sn线材磁化特性的测量，研究获得不同磁场及温度条件下磁滞损耗特性；通过不锈钢套管Nb3Sn样品的设计开展纵向载荷实验，获得了纵向应变条件下的磁化特性；采用临界态模型，研究了热应变载荷下Nb3Sn超导材料磁通钉扎的演变规律，从理论上对磁滞损耗变化规律给出解释，获得了一系列的研究成果；其次，针对CICC导体特有的耦合损耗，采用多级屏蔽模型(Multizones PArtical Shielding Model)和电缆重组技术(Cable Regrouping Technology)，利用有效体积比和耦合时间常数来描述复杂的耦合电流特性，较好地解决了各级耦合电流间相互干扰的问题，特别还能精确地预测高频工况下耦合损耗热量，该方法已成功地被中国聚变工程实验堆(CFETR)模型线圈短节距结构的导体耦合损耗特性的实验证实，同时首次将该方法运用到超导磁体关键部件—搭接型超导接头的交流损耗特性的研究中，与实验结果取得较好的一致性；除此之外，结合理论分析和实验研究的方法，深入研究了导体耦合损耗特性和导体各级接触电阻的相关性问题，通过遴选和比较，阐明了Nb3Sn CICCs耦合损耗特性与第一级电缆(triplet cable)的接触电阻之间存在强关联的特性，对耦合损耗随电磁循环的变化给出了合理的解释，也为后期优化导体的动态热负荷属性指明了方向。综合上述结果，本项研究为探讨高性能Nb3Sn CICCs导体交流损耗特性提供了坚实的工作基础，同时对于合理优化导体的动态热属性提供了重要的启示性线索。项目资助发表SCI或EI论文6篇，培养硕士生一名，基本完成项目拟定的目标。项目投入经费20.0万元，支出19.05万，各项支出基本与预算相符。