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Bi-2212高温超导线性能及铠装导体性能研究

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摘要

1.1 磁约束核聚变

1.1.1 托卡马克(Tokamak)装置及原理

1.1.2 托卡马克磁体系统

1.2 Cable-in-Conduit Conductor(CICC导体)

1.3 高温超导材料

1.4 Bi2212高温超导材料

1.4.1 Bi系高温超导体结构

1.4.2 Bi2212超导线材的制备及应用

1.5 研究意义及研究内容

第二章 Bi2212超导线基本性能研究

2.1 Bi2212超导线l临界性能与磁场温度之间的关系-Ic(B,T)

2.1.1 临界性能与磁场之间的关系

2.1.2 临界性能与温度之间的关系

2.1.3 n值(n-index)

2.2 Bi2212超导线的磁滞损耗研究

2.2.1 第二类超导体Bean模型

2.2.2 超导线磁化曲线测量

2.2.3 磁化曲线测量结果及磁滞损耗计算

2.3 本章小结

第三章 应变对Bi2212超导线临界性能影响

3.1 应变与超导线临界性能

3.1.1 超导磁体运行状态下超导线的受力状态

3.1.2 超导体的应力-应变

3.1.3 应变与超导材料临界性能

3.2 Bi2212应变临界性能的测量-测试装置设计

3.2.1 应变-临界性能测试装置

3.2.2 测试装置功能及性能要求

3.2.3 测试装置的总体结构

3.2.4 装置工作原理

3.2.5 装置关键结构设计分析

3.2.6 应变的测量与标定

3.3 实验结果与分析

3.3.1 Bi2212超导线应变-临界电流测试结果

3.3.2 Bi2212超导线应变-临界电流模型描述

3.3.3 Bi2212超导线可逆应变机理

3.3.4 高压热处理对B12212超导线应变临界性能的影响

3.4 讨论

3.5 本章小结

第四章 Bi2212超导线绝热条件下热稳定性研究

4.1 超导线热稳定性及研究意义

4.2 热稳定性数学模型的解析解

4.2.1 热平衡方程

4.2.2 热平衡方程的解析解

4.3 热稳定性数学模型的数值解

4.3.1 并联电流分流模型

4.3.2 有限差分法

4.3.3 最小失超能量

4.3.4 失超传播速度

4.4 讨论

4.5 本章小结

第五章 Bi2212导体电缆设计及性能研究

5.1 短节距电缆

5.2 绞缆对超导线造成的损伤

5.2.1 压痕样品的制作

5.2.2 实验结果与分析

5.2.3 讨论

5.3 导体性能测试结果及分析

5.4 本章小结

第六章 Bi2212 CICC导体稳定性研究

6.1 CICC导体的稳定性研究

6.2 一维稳定性计算模型-Gandalf模型

6.3 高温烧结对电缆流阻的影响

6.3.1 压降测试

6.3.2 实验结果与分析

6.4 Bi2212导体一维稳定性分析

6.4.1 CS线圈运行工况及热扰动模式

6.5 本章小结

第七章 全文总结

Bi2212超导线临界性能研究及磁滞损耗研究

应变对Bi2212超导线性能的影响

Bi2212超导线在绝热条件下的失超传播行为

Bi2212导体电缆结构设计及性能分析

Bi2212导体热稳定性分析

本文中有创新意义的工作为以下几点

未来工作展望

参考文献

附录

致谢

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摘要

目前,国际热核聚变实验堆(ITER)已经进入建造阶段,并计划于2025年首次运行。在ITER的技术基础上,各国纷纷提出了建设聚变示范堆(DEMO)的研究计划。中国也提出了自己的“中国聚变工程试验堆(CFETR)”研究计划,其物理和工程参数介于ITER和DEMO之间,主要目标是消化吸收ITER的技术,以及验证未来建设聚变电站所要涉及的核聚变关键工程技术。
  超导磁体是托卡马克的关键系统,聚变堆的聚变功率正比于磁场强度的4次方(~B4),通过提高聚变堆的磁场强度,提升等离子体的约束性能和稳定性,能有效减小聚变堆的规模,减少装置建设成本,提升经济性。目前,国际上现有和在建的超导托卡马克中,等离子体中心场强度最高的就是ITER装置,其等离子体中心磁场强度为5.3T,纵场线圈最高场达到了11.8T,而其中心螺管线圈的运行中瞬态最高场更是达到了13T,这已经接近了实用低温超导材料中临界场最高的Nb3Sn的性能极限。所以,要实现未来聚变装置更高参数运行,势必需要临界性能更高的超导材料来产生更高的磁场强度。在铜氧化物高温超导材料中,Bi-2212线材具有优异的高场载流能力、较低的交流损耗,且其对磁场表现出各向同性,可以制备成圆线,更易于电缆的绞制。因此,在未来聚变装置超导磁体,特别是中心螺管线圈(CS Coils)的材料选择中,Bi-2212是一种非常具有竞争力的选择。本文以国内发展的Ag稳定基体Bi-2212超导线为研究对象,对其基本性能、电缆结构及性能及其铠装导体的热稳定性开展了一系列研究及讨论。
  对Bi2212超导线开展了不同温度、磁场条件下的,临界性能测试,结合实验结果和第二类超导体磁通钉扎理论,建立了一个Bi-2212临界面模型,该模型可以较好的描述Bi-2212超导线临界电流与磁场、温度之间的关系。测试了多温区下,不同磁场强度及磁场变化速率下的Bi-2212超导线磁化曲线,并计算了不同条件下的磁滞损耗,并于典型了Nb3Sn超导线磁滞损耗进行了对比。
  设计研制了可适用于超导线\带材短样的应变-临界电流测试装置,并依靠该装置研究了应变对Bi-2212超导线临界性能影响。根据实验数据,分析讨论了不同应变区域,Bi-2212超导线临界性能发生衰退的可逆性及机理。
  建立了Bi-2212超导线绝热条件下的失超传播模型,并使用了解析法和数值法对模型进行了求解。在数值求解中,使用了隐式差分格式,提高了求解精度。并通过模型求解获得了Bi2212超导线在绝热边界条件下,不同温度、磁场环境中的最小失超能量和失超传播速度。
  本文还初步探究了短节距电缆结构对于Bi2212超导线的适用性,通过小尺寸三级子缆的绞制和性能测试,以及压痕损伤对单线性能的影响,初步验证了短节距电缆结构用于Bi-2212导体的可行性。
  最后,本文对Bi-2212铠装导体的热稳定性进行了初步计算和分析。首先研究了Bi-2212超导线热处理制度对导体压降的影响,并进行了分析。最后假设将Bi-2212超导线用于ITER CS导体,在ITER CS线圈的运行工况下,计算了导体的能量裕度,初步评估了未来Bi-2212导体在热稳定性方面相对于Nb3Sn导体的优势。

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