HT-7U PF导体的设计及其稳定性分析报告

李保增

[摘要] 本文使用简单的功率和能量平衡关系，分析了CICC(Cable - in - Conduit Conductor)型超导体的稳定性。为了导体设计的方便，推导出一些仅含有超导电缆几何因子和导体运行参数的表达式。最后给出了一种HT-7U极向场PF(Poloidal field) 线圈导体的设计结果 。

关键词：CICC 型超导体，稳定性，电流分流温度，极限电流

1 前言

合肥超导托卡马克HT-7U将是一个稳态的核聚变实验装置，它的所有线圈将 使用 NbTi/Cu 超导体，并使用超临界氦迫流冷却。我们知道，PF线圈是运行在电磁和机械噪声环境中，它的稳定运行是导体设计首先要考虑的问题。本文以 PF导体为例，详细描述了导体设计和稳定性分析的方法，并对一些问题进行了讨论。

1.1 CICC发展的简要回顾

CICC型超导体是由内冷超导体ICS(Internally Cooled Superconductors) 发展 而来的。在ICS中，氦是在单独的铜冷却管中流动，超导线被软焊在铜管的外侧面。我们知道，铜管中氦的含量是有限的，为了提高导体的稳定性就必须加大氦的流速直到湍流流型。这样的流动将引起大的流动压降和消耗大量的泵送功率，从而增加了室温制冷负载。为了克服这一缺点，人们在想是否可以把ICS中的整块超导体分为许多细股线，然后把超导股线和氦一起密封在钢管中，让氦在股线间流动。这样不仅大大增加了冷却表面积，同时也改善了传热条件，从而提高了导体的稳定性。这个设想最终使 Hoenig, Iwasa 和 Montgomery 在1975年首先 提出了CICC型超导体的概念，并在LCT (Large Coil Task)计划中得到应用^[1]。在其后的二十多年里CICC型超导体得到了重要发展，在大量实验的基础上，提出了各种定量分析的模型和方法，为导体的最佳化设计奠定了基础。

1.2 CICC 的 稳 定 性

就稳定性而言，严格地讲CICC不是低温稳定的。由CICC的位形构成可知，氦是在股线间的空隙中流动，导体中可利用的氦的量总是被限制在局部的体积上。我们知道，导体失超或者恢复是在毫秒量级时间内完成的，而氦在导体内的滞留时间可长达几分钟。因此在导体受到扰动时的瞬间不能有新的氦来补充，任何一个足够大的干扰能量输入到导体上都会使得股线温度高于液氦温度，最后导致失超。因此人们称它为准低温稳定(metastable)。那么在给定的运行条件下，确定引起失超而超导仍能恢复的最大的能量输入是CICC设计的基础，它被称为稳定性余量。