聚变装置高温超导磁体接头的低电阻特性研究

It is one of the essential way to develop fusion energy by adopting high temperature superconducting magnet which achieves higher magnetic field to obtain steady state operation with extended period for plasma with high parameters. The joint for high temperature superconducting magnet is big with high current, so the resistance of joint is one of the significant factors which affects the stability and safe operation of high temperature superconducting magnet. This project aims at complex fast-changing electromagnetic environment that formed by transient variation of large current carrying of high temperature superconducting joint, quench, AC losses and so on, to explore the interaction conducted by compounding effect of electromagnetic changes and AC losses with the resistance property of high temperature superconducting joint through theoretical numerical analysis and testing methods, thus to reveal an effective approach that applied to theoretical study on low-resistance of high temperature superconducting joint for fusion reactor. It illustrates the changing law of resistance property of high temperature superconducting joint under the cases of transient field changes when plasma discharges and bursts rapidly, along with current changes, and AC losses. All of which will provide theoretical basis for applying high temperature superconducting joint to high temperature superconducting magnetically confined fusion device steadily and safely.

采用磁场强度更高的高温超导磁体来约束等离子体，从而获得高参数等离子体长时间稳态运行是开发聚变能的必备条件之一。 相比较一般超导磁体接头，聚变装置高温超导磁体接头体积大，载流高，因此高温超导接头电阻问题是影响高温超导磁体稳定性和安全运行的重要因素之一。本申请针对高温超导磁体接头自身大载流瞬态变化、失超和交流损耗等形成的复杂的快速变化电磁环境，如电流运行波形、峰值磁场以及失超电流安全泄放时间常数等，采用理论分析、数值模拟，并结合实验验证的方法，探索复杂电磁变化和交流损耗复合效应与高温超导接头电阻特性之间的相互作用，阐明一条适用于未来聚变装置高温超导磁体超导接头低电阻特性研究的有效途径，揭示高温超导接头在等离子体快速放电和破灭时瞬态自场变化、电流变化、以及交流损耗条件下电阻特性变化规律，为高温超导接头稳定安全的应用于高温超导磁约束聚变装置提供理论基础。

随着磁约束聚变超导托卡马克研究的不断发展，采用磁场强度更高的高温超导磁体来约束等离子体，从而获得高参数等离子体长时间稳态运行是开发聚变能的必备条件之一。相比较一般超导磁体接头，聚变装置高温超导磁体接头体积大，载流高，因此高温超导接头电阻问题是影响高温超导磁体稳定性和安全运行的重要因素之一。本项目针对高温超导磁体接头自身大载流瞬态变化、失超和交流损耗等形成的复杂的快速变化电磁环境，如电流运行波形、峰值磁场以及失超电流安全泄放时间常数等，采用理论分析、数值模拟，并结合实验验证的方法，探索复杂电磁变化和交流损耗复合效应与高温超导接头电阻特性之间的相互作用，阐明一条适用于未来聚变装置高温超导磁体超导接头低电阻特性研究的有效途径，揭示高温超导接头在复杂工况下的电阻特性变化规律，为高温超导接头稳定安全的应用于高温超导磁约束聚变装置提供理论和工艺基础。. 本项目聚焦未来极有可能在磁约束聚变超导托卡马克批量应用的Bi-2212高温超导材料，提出了Bi-2212超导圆线对接接头和Bi-2212超导缆搭接接头的设计。先通过COMSOL、THEA和Ansoft maxwell模型对超导接头进行了详细的数值模拟研究，研究了复杂电磁环境条件下临界电磁特性和交流损耗等因素对接头电阻的影响，掌握了相关的规律。成功制备了两种形式的超导接头样品，并开展了低温电性能测试。在对接接头方面，采用了将Bi-2212圆线末端对接穿入同一根纯银管中，然后压接，再置于最高温度约900℃的热处理炉中进行热处理的工艺，解决了Bi-2212圆线对接的问题，实现了Bi-2212高温超导体的直接连接，低温下电阻值为零。搭接接头方面，开发了纯铟焊料的连接工艺，在最大1300A，无背景磁场和最大5T的背景磁场下，接头电阻分别为9.3nΩ和34.3nΩ，从而推导出在聚变堆中大尺寸的搭接接头可获得2nΩ级的低接头电阻。. 该高温超导接头的设计、分析和实验研究将对未来聚变堆高温超导磁体的接头设计和优化提供非常有意义的参考。