超导体电磁体制造技术

一种电磁体包括一个或多个通道。每个通道均具有设置于其中的导体元件，该导体元件包括一层或多层超导体材料以用于沿着通道的轴线传导电流。导体元件被布置成通过相对于彼此倾斜的第一楔形表面和第二楔形表面接触通道的侧壁，使得在垂直于所述轴线的方向上偏压导体元件的力在楔形表面上产生相反的接触力，该相反的接触力起作用以用垂直于所述力的分量沿着一方向压缩导体元件。着一方向压缩导体元件。着一方向压缩导体元件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超导体电磁体


[0001]本专利技术涉及包括超导体材料的电磁体。特别地但不排他地，本专利技术涉及用于在等离子体室中使用的电磁体，例如用于托卡马克聚变反应堆的电磁体(例如用于托卡马克等离子体室的环形场线圈的中心柱中的电磁体)。

技术介绍

[0002]托卡马克的特点是结合了强环形磁场、高等离子体电流以及通常的大等离子体体积和显著的辅助加热，以提供热的、稳定的等离子体。这使得托卡马克能够产生条件，从而实现聚变。辅助加热(例如通过数十兆瓦的高能H、D或T中性束注入)对于将温度升高到发生核聚变所需的足够高的值和/或维持等离子体电流是必要的。
[0003]一个问题是：由于通常需要大尺寸、大磁场和高等离子体电流，所以建造成本和运行成本都很高，并且工程必须稳健，以应对磁体系统和等离子体中存在的大量储存能量，该储存能量有“破坏”的风险——在剧烈的不稳定中，百万安培电流在千分之几秒内降至零。
[0004]可以通过将传统托卡马克的圆环形环面收缩到其极限来改善这种情况，因为传统托卡马克有带核的苹果的外观——“球形”托卡马克(ST)。这一概念在英国库勒姆的START托卡马克中的首次实现证明了效率的巨大提高——容纳热等离子体所需的磁场可以减少10倍。此外，等离子体稳定性提高，并且建造成本降低。
[0005]为了获得经济发电所需的聚变反应(即，输出功率比输入功率大得多)，传统的托卡马克必须是巨大的，以便能量限制时间(大致与等离子体体积成正比)可以足够长，使得等离子体可以足够热以发生热聚变。
[0006]WO 2013/030554描述了一种替代方法，涉及使用紧凑的球形托卡马克以用作为中子源或能量源。球形托卡马克中的低纵横比等离子体形状改善了粒子限制时间，并允许在更小的机器中产生净功率。然而，小直径中心柱是必要的，这对等离子体限制容器和相关磁体的设计提出了挑战。
[0007]托卡马克上的磁铁线圈可以分为两组。极向场线圈是水平圆形线圈，它们被缠绕成使它们的中心位于托卡马克的中心柱上，并产生极向场(即，基本平行于中心柱的极向场)。环形场线圈垂直地缠绕穿过中心柱，并围绕等离子体室的外部(“返回分支”)，以产生环形场(即，围绕中心柱的环形场)。极向场和环形场的组合在等离子体室内产生螺旋场，该螺旋场使等离子体保持受限。
[0008]环形磁场中所需的电流非常大。对于紧凑的球形托卡马克，中心柱的直径应该尽可能小。这提出了相互矛盾的要求，因为即使使用超导材料，可以实现的电流密度也是有限的。
[0009]大电流与托卡马克中的大磁场相结合，产生大洛伦兹力，该大洛伦兹力可能使托卡马克的多个部分变形或损坏。
[0010]超导材料通常分为“高温超导体”(HTS)和“低温超导体”(LTS)。LTS材料(诸如Nb和NbTi)是可以用BCS理论描述其超导性的金属或金属合金。所有低温超导体的临界温度(在
高于该温度的情况下，即使在零磁场中材料也不能超导)都低于约30K。BCS理论没有描述HTS材料的行为，此类材料可能具有高于约30K的临界温度(尽管应该注意，定义HTS和LTS材料的是超导操作和成分的物理差异，而不是临界温度)。最常用的HTS是“铜酸盐超导体”——基于铜酸盐(含氧化铜基团的化合物)的陶瓷，例如BSCCO或ReBCO(其中，Re是稀土元素，通常为Y或Gd)。其他HTS材料包括铁氮化物(例如FeAs和FeSe)和二硼化镁(MgB2)。
[0011]ReBCO通常被制造为带，其通常约为100微米厚，并包括衬底(通常被电抛光的哈氏合金约为50微米厚)，在其上通过IBAD、磁控溅射或另一种合适的技术沉积一系列缓冲层，该缓冲层已知为厚度约为0.2微米的缓冲叠层。外延ReBCO
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HTS层(通过MOCVD或其他合适的技术沉积)覆盖该缓冲叠层，并且通常为1微米厚。通过溅射或其他合适的技术在HTS层上沉积1
‑
2微米的银层，并且通过电镀或其他合适技术在带上沉积铜稳定剂层，这通常完全包封带。
[0012]衬底提供了可以通过生产线馈送的机械主干，并允许后续层的生长。缓冲叠层需要提供在其上生长HTS层的双轴织构的晶体模板，并防止元素从衬底向HTS的化学扩散，该化学扩散破坏其超导特性。要求银层提供从ReBCO到稳定剂层的低电阻界面，并且稳定剂层105在ReBCO的任何部分停止超导(进入“正常”状态)的情况下提供替代电流路径。
[0013]商用HTS带在大于约400MPa的内应力下开始降解。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的是提供一种用于环形场线圈的中心柱，其解决或至少缓解上述问题。
[0015]根据本专利技术的第一方面，提供一种包括一个或多个通道的电磁体。每个通道均具有设置于其中的导体元件，该导体元件包括一层或多层超导体材料以用于沿着通道的轴线传导电流。导体元件被布置成通过相对于彼此倾斜的第一楔形表面和第二楔形表面接触通道的侧壁，使得在垂直于轴线(例如，进入通道)的方向上偏压导体元件的力在楔形表面上产生相反的接触力，该相反的接触力起作用以用垂直于所述力的分量沿着一方向压缩导体元件。
[0016]电磁体可以被配置为使得在电磁体操作期间产生的应力不超过与超导体材料相关联的阈值应力。可以例如基于HTS材料的退化和/或HTS材料作为超导体起作用的能力的退化来确定阈值应力。
[0017]所述通道或每个通道可以是“开放”通道，使得导体元件不被通道的壁所包围。或者，通道可以是“封闭的”，使得通道的壁围绕导体元件，例如通道可以是支撑构件中的通孔。
[0018]在一些情况下，电磁体可以具有中心轴线，其中，一个或多个通道的轴线平行于中心轴线布置。在这种情况下，一层或多层超导体材料被布置成平行于中心轴线传导电流。在垂直于轴线的方向上偏压导体元件的力可以被定向成朝向中心轴线。
[0019]每个导体元件均可以包括高温超导体(HTS)带的一个或多个叠层，每个HTS带均包括沿着通道延伸的HTS材料层。HTS材料可以是ReBCO。
[0020]每个导体元件均可以包括设置在HTS带的叠层和通道的侧壁中的一个侧壁之间的楔形构件，第一楔形表面设置在楔形构件上。楔形构件可以固定到HTS带的叠层。
[0021]楔形构件包括与叠层接触的表面，该表面基本上垂直于HTS材料层。
[0022]对于导体元件中的一个或多个导体元件，第一楔形表面和与叠层接触的表面之间的锐角可以大于1度，大于3度，或大于5度。
[0023]每个导体元件均可以包括附接到HTS带的一个或多个叠层的另一个楔形构件，第二楔形表面设置在该另一个楔形构件上。
[0024]导体元件的楔形表面中的每个楔形表面与通道的侧壁之间的静摩擦系数可以为0.1至0.3，或大于0.3，或大于0.4。
[0025]每个导体元件均可以是封装的。
[0026]电磁体还可以包括支撑构件，通道设置在支撑构件中。支撑构件可以包括一个或多个通孔，该通孔在具有平行于通道中的一个或多个的分量的方向上延伸。一个或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电磁体，包括一个或多个通道，每个通道均具有设置于其中的导体元件，所述导体元件包括一层或多层超导体材料以用于沿着所述通道的轴线传导电流，所述导体元件被布置成通过相对于彼此倾斜的第一楔形表面和第二楔形表面接触所述通道的侧壁，使得在垂直于所述轴线的方向上偏压所述导体元件的力在所述楔形表面上产生相反的接触力，所述相反的接触力起作用以用垂直于所述力的分量沿着一方向压缩所述导体元件。2.根据权利要求1所述的电磁体，其中，每个导体元件均包括高温超导体(HTS)带的一个或多个叠层，每个高温超导体带均包括沿着所述通道的轴线延伸的高温超导体材料层。3.根据权利要求2所述的电磁体，其中，所述高温超导体材料是ReBCO。4.根据权利要求2或3所述的电磁体，其中，每个导体元件均包括楔形构件，所述楔形构件设置在所述高温超导体带的叠层和所述通道的侧壁中的一个侧壁之间，所述第一楔形表面设置在所述楔形构件上。5.根据权利要求4所述的电磁体，其中，所述楔形构件固定到所述高温超导体带的叠层。6.根据权利要求4或5所述的电磁体，其中，所述楔形构件包括与所述叠层接触的表面，所述表面基本上垂直于所述高温超导体材料层。7.根据权利要求6所述的电磁体，其中，对于所述导体元件中的一个或多个导体元件，所述第一楔形表面和与所述叠层接触的所述表面之间的锐角大于1度，大于3度，或大于5度。8.根据权利要求7所述的电磁体，其中，每个导体元件均包括另一个楔形构件，所述另一个楔形构件附接到所述高温超导体带的一个或多个叠层，所述第二楔形表面设置在所述另一个楔形构件上。9.根据前述权利要求中任一项所述的电磁体，其中，所述导体元件的楔形表面中的每个楔形表面与所述通道的侧壁之间的静摩擦系数为0.1至0.3，或大于0.3，或大于0.4。10.根据前述权利要求中任一项所述的电磁体，其中，所述导体元件中的每个导体元件均是封装的。11.根据前述权利要求中任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：托尼，
申请(专利权)人：托卡马克能量有限公司，
类型：发明
国别省市：