2010-n10超导磁体及其应用20090313 华科电气

超导电力基础2010年5月-6月七超导磁体技术七、超导磁体技术6.1 磁体的种类6.2 磁体设计特6.3 磁体系统的构成6.4 磁体的特性656.5磁体的保护656.5超导磁体的应用ΦΦIII螺管型磁体螺管型组合式结构简单磁场均匀性可调多螺管磁体IΦ环形线圈无磁场泄漏跑道型磁体其他型磁体产生大空间的均匀场其他异型磁体：产生特殊位形的磁场磁镜磁体粒子探测器磁体ASC-HUST 超导磁体的应用领域A、电力应用超导电机、变压器、限流器、磁储能装置B、高场强磁场磁拉单晶、磁分离、托克马克、加速器等磁拉单晶磁分离托克马克加速器C、高稳定度磁场医疗用核磁共振成像仪D、交通磁悬浮列车、磁流体推进磁悬浮列车磁流体推进6.2 磁体设计磁体设计基本参数：运行温度、最大磁场强度、额定电压、额定电流、绝缘水平、电磁应力、几何尺寸、导线用量、冷却方式及冷却功率根据用途不同的特殊参数：磁场均匀度、磁场梯度、电感值、最大电流变化率、放电速度超导磁体应考虑的特殊参数：作用在超导导线上的平行磁场值垂直磁场值电流频率或电流变化率作用在超导导线上的平行磁场值、垂直磁场值、电流频率或电流变化率、额定电流与临界电流值的比值应考虑的超导导线特性：应考虑的超导导线特性临界电流值、临界电流与磁场的关系、临界电流与应力的关系、交流损耗与磁场的关系、超导稳定对冷却的要求与磁场的关系超导稳定对冷却的要求磁体设计6.2 磁体设计简单设计：小型磁体，通过简单的电磁计算即可电磁场数值解析、优化设计：电磁场数值解析优化设计运用电磁场分析软件设计电磁场，然后验证各种约束条件是否满足电磁场、温度场、应力场综合优化设计：将电磁场优化、温度场优化、应力场优化体化，同时设计和验证将电磁场优化、温度场优化、应力场优化一体化，同时设计和验证装置的虚拟样机：场的分析优化+路的分析优化+运行特性检验+装配流程等的一体化可视化后两种是我们的目标，正在开展相关研究工作。

后两种是我们的目标正在开展相关研究工作ASC-HUST 6.3 磁体系统的构成磁体 电流引线磁体系统的构成流线 低温系统 电源磁体保护系统蒸发冷媒回收口断保护电阻输液管电流引线路器杜瓦电源磁体制冷机或冷媒容器ASC-HUST 磁体系统的构成6.3 磁体系统的构成电流引线：超导磁体系统90%以上的热损耗是由电流引线侵入电流引线按冷却方式分按材料分蒸气冷却引线气体冷却引线全金属引线高温超导引线传导冷却引线要求：导电性能好，发热量小绝热性能好，热侵入量小绝热性能好热侵入量小绝缘性能好，局部放电量小热流铜导线Tc以下Tc以下高温超导低温气体冷媒蒸发气体截热式高温超导电流引线常温电流引线的设计：热设计法兰绝缘 高温端向低温端的热流电流电流导致的导体发热量优化目标：热侵入最小 绝缘设计铜导体热流低温绝缘常温绝缘77K 外绝缘低温高温超导体4.2K接线端子液氦液氮都具有良好的绝缘性能低温绝缘：液氦、液氮都具有良好的绝缘性能～液氦29170kV/mm 液氮80 ～240kV/mm在超导应用中：应考虑到气化气泡的影响a 、应考虑到气化、气泡的影响b 、固体绝缘材料的机械性能下降固体缘材料的机械性能下降c 、动态过程中产生过电压d 、失超过程中产生机械、热等能量扰动64磁体的特性6.4 磁体的特性(a)电磁参数(a) 电磁参数额定电流、临界电流（不同于导线的临界电流） 额定电压、绝缘耐压水平 磁场强度 磁场均匀度导线上的磁场强度及其方向性 热损耗 交流损耗几何尺寸重量超导导线用量漏散磁场经济参数：几何尺寸、重量、超导导线用量64磁体的特性6.4 磁体的特性(b)负荷特性(b) 负荷特性Ic超导线Ic(H)特性Ic线圈H(I)特性失超点H工作点TH e T e T m超导磁体负荷特性工作磁场下临界电流温度特性(c)锻炼效应(c) 锻炼效应Iq磁体在最初开始通电时在很低的电流水平就有可能失超，随着励磁次数的增加，超随着励磁次数的增加失超电流值逐渐增加，直至一基本稳定的电流水平励磁次数原因：不确定因素而引起的失超现象，随磁体多次反复励磁运行，这些因磁体制作过程中产生的不确定因素渐渐减少(d)热稳定性(d) 热稳定性因扰动产生微小的常态区域后，常态不扰动产微小的常态域后常态不扩散，扰动消失后常态恢复到超导态冷却介质超导超导常导发热部分热传导热传导超导线冷却冷却介质超导内部产生常态部分后的热流6.5 磁体的保护磁体的保护(1) 失超的引发因素确定因素：电流、温度、磁场等超过临界值不确定因素：交流损耗局部特性劣化接头部焦耳损耗连续的机械因素：导线位移、支撑材收缩等磁的因素：磁通跳跃脉冲的内因扰乱交流损耗机械外力外界磁场外因(2) 失超保护的内涵及原则(2)失超保护的内涵及原则预防消除不确定因素a、预防：消除不确定因素保证确定因素在临界值以下b、检测：在失超的萌发期发现c、保护：转移能量保护转移能量断供切断能量供应均匀分担能量、防止局部过热分离故障部分（特别在电力系统中）d、恢复：解消故障、准备替代方案恢复解消故障准备替代方案(3)失超保护方案例(3) 失超保护方案例a、磁体失超检测信通过磁体线圈之间的电号压不平衡判断失超+—不平衡电压可以采用桥式电路等技术方案(3) 失超保护方案例(3)失超保护方案例b、消耗或转移能量控制信号控制信号将能量直接消通过电磁耦合向耗在电阻上电阻转移能量(3)失超保护方案例(3) 失超保护方案例c、促进常态传播，防止局部过热控制信号±热量或磁场等采用强制措施使整个绕组产生电阻消耗能量，防止能量在局部消耗烧损绕组，常用于大型多线圈磁体64超导磁体的应用6.4 超导磁体的应用粒子加速器磁约束核聚变强磁场核磁共振成像磁悬浮轴承、磁悬浮列车磁悬浮轴承磁悬浮列车流与磁流体推进与发电粒子加速器中的超导磁体磁场电场带电粒子的直线加速磁极谐振腔加速电势带电粒子的大型直线加速带电粒子的回旋加速世界上著名的超导加速器1、TEVATRON2、HERA、3、LEP4、LHCTEV ATRONTEVATRON（万亿电子伏加速器）TEVATRON（一万亿电子伏加速器）世界第一台超导加速器，美国费米实验室正反质子对撞机，其能量达到1.96TeV周长6.28km环上共有774个超导二极磁体和216个超导四极磁体二极磁体长6.3m，中心磁场为4.5T二极磁体长63中心磁场为45T超导材料为NbTi年建造年投入运行1978年建造，1985年投入运行TEVATRON的航拍俯视图TEVATRON的粒子加速隧道TEVATRON中的费米级对撞探测器（CDF）注：1费米= 10-15米TEVATRON中磁体所采用的超导材料HERAHERA——德国汉堡同步电子加速器质子—电子对撞机1984开始建造，1990年建成汉堡地下隧道里的HERA加速器开始建造，年建成质子环二极偏转磁体和四极聚焦磁体全部采用超导线圈6.3km的质子环上，共装有422个9m长的超导二级磁体和224个超导四极磁体。

二极磁体中心场为4.65T，四极磁体在直径50mm的束流内磁场强度梯度为9018T/m50mm的束流内磁场强度梯度为90.18T/m质子环能量达到0.82TeV超导磁体总储能达344MJHERA加速器粒子加速隧道L 欧盟正负电子对撞机LEPLEP ——欧盟，正负电子对撞机 采用低磁场大半径的设计思路，周长达到27km 跨越法国和瑞士的国界27km ，跨越法国和瑞士的国界对撞机深埋于地下（50~175m）1983年动工兴建，1989年8月实现对撞488块36m长的二极主磁铁，776块四极磁体，504块六极磁铁，504块二极校正磁铁26个超导高频腔256个超导高频腔 能量达到（100+100）GeVLEP已于2001年关闭LEP加速器粒子加速隧道LEP加速器中的粒子探测器LEP加速器超导腔LEP加速器拆卸LHCLHC——欧盟，强子对撞机欧盟强子对撞机在LEP的隧道中安置了1296块超导磁铁（可以提供超过8.36T的强磁场），及2500块可以提供超过836T的强磁场）及2500块其他类型的磁铁，构成了可以实现质子—质子对撞的新型加速器该装置于2008年9月10日正式投入使用，其能量达到14TeV一举超过TEVATRON而成其能量达到14TeV，一举超过TEVATRON而成为世界上最大的加速器。

ALICE的μ子谱仪的双极磁体CMS螺线管磁体ATLAS LHC的双极超导磁体环状磁体质子治疗加速器重量700T，直径6.3米加速器中复杂的电磁场优化设计加速器中复杂的电磁场优化设计俄罗斯的加速器磁约束核聚变中的超导磁体(Fusion Energy) 优势：清洁无燃料无限聚变能(gy)清洁，无CO 2，燃料无限StellaratorS ll TokamakASC-HUST托卡马克原理（Principle of Tokamak）受控核聚变的基础知识： 核聚变反应，取之不竭的能源 达到核聚变的条件—劳逊判据 关键的困难：加热与约束 太阳是 个巨大的聚变反应堆 太阳是一个巨大的聚变反应堆 氢弹—聚变能的不可控释放托卡马克 (Tokamak) 是由俄罗斯科 学家发明的利用变压器原理产生等离 子体，并由强磁场约束及控制等离子 体的装置 体的装置。

T k Tokamak k 是由俄文“环 形”、“磁场”及“容器”的前几个 字母组成。

其主要部件组成为：真空 室 纵场（环向场）磁体 极向场 室、纵场（环向场）磁体、极向场 （垂直场）磁体等。

超导电力基础—2010ASC-HUST24 mITREVacuum Vessel Magnet SystemShieldRadius=6.2 i 62m Volume=840 m3 Current=15 MA Density=1020 m-3 Temperature=20keV F i Power=500MW Fussion P 500MW30 m Divertor超导电力基础—2010ASC-HUST受控核聚变的基础知识： 核聚变反应，取之不竭的能源 达到核聚变的条件—劳逊判据 关键的困难：加热与约束 太阳是 个巨大的聚变反应堆 太阳是一个巨大的聚变反应堆 氢弹—聚变能的不可控释放超导电力基础—2010ASC-HUST粒子加速器中的超导磁体 ITER的磁体和结构 18 个环形磁场线圈(TF)；  6个极向磁场项圈(PF)；  1个中心螺线管线圈 (CS)；  校正线圈 (CC) 。

超导电力基础—2010ASC-HUST实验超导磁体 实验超导磁体， 重150吨超导电力基础—2010Specifications on TokamaksNbTi-CICC NbTi CICC NbTi-CICC SST-1 LHD EASTASC-HUST NbTi/Nb3Sn-CICCITERKSTARJTSCBopt=5.3T, R =6.2m CS Bm=13.5T, CS, =13 5T Bopt=3.5T, R =1.8m TF, B =11.8T m CS, Bm=8.0T, Bopt=3.5T, R =1.75m TF, Bm=7.2T Bopt =3 3.0T, 0T R =1 1.1m 1m CS Bm=4.3 CS, =4 3 T, T t CS, Bm=3.2 T, TF, Bm=5.85T TF, Bm=5.1TLDXW7XNb3Al CICCNbTi： Bopt=5 T LSC： Bm=5.3T NbSn/Bi2223超导电力基础—2010EAST全超导托卡马克装置，合肥高11米，直径8米，重400吨 16个大型“D”形超导纵场磁体BT = 3.5 T 12个大型极向场超导磁体可以提供磁通变化 ΔФ ≥ 10 伏秒 通过极向场磁体， ≥ 100万安培的等离子体电流 持续时间将达到1000秒 在高功率加热下温度将超过一亿度 在高功率加热下温度将超过 亿度ASC-HUSTEAST超导电力基础—2010ASC-HUSTEAST的D形超导线圈 超导电力基础—2010ASC-HUST大线圈绕制过程超导电力基础—2010ASC-HUST强磁场超导磁体 著名的强磁场实验室： 国外： 德国德雷斯顿强磁场实验室 美国国家强磁场实验室 美国卡拉克大学强磁场实验室 法国图卢兹脉冲强磁场实验室 国内： 中科院合肥等离子体物理研究所 华中科技大学脉冲强磁场实验室超导电力基础—2010。