用于在磁体的线圈中承载电流的组件、包含该组件的场线圈
和区段、及其制造方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及超导磁体的制造。具体地，本发明涉及HTS磁体的形成。
背景技术
[0002] 超导磁体是由超导材料的线圈构成的电磁体。由于磁体线圈具有零
电阻，超导磁体可以零损失地承载高电流(尽管非超导部件将存在损失)，由此能够达到比传统的电磁体更高的
磁场。
[0003]
超导性只在一些材料中发生，并且只在低温下发生。超导材料在由超导体的临界
温度(在零磁场中材料为超导体的最高温度)和超导体的临界场(在0K下材料为超导体的最高磁场)确定的范围内下表现为超导体。超导体的温度和存在的磁场限制了超导体在不变成电阻性的情况下能够承载的电流。
[0004] 一般来说，存在两种类型的超导材料。低温超导体(LTS)具有低于30-40K的
临界温度，高温超导体(HTS)具有高于30-40K的临界温度。多种目前的HTS材料具有高于77K的临界温度，这允许使用液氮进行冷却。
[0005] 为了使用HTS制造超导磁体，HTS典型地被构成为条带。图1是典型的HTS条带200的部件的示意图。这种条带200通常为约100微米厚，并且包括约50微米厚的
电解抛光哈氏
合金衬底201，在该衬底201上通过IBAD或
磁控溅射沉积了一系列缓冲堆叠层202，每层约0.2微米厚。
外延(RE)BCO-HTS层203(通过MOCVD或其它技术沉积)
覆盖缓冲层，并且典型地为1-5微米厚。通过溅射在HTS层上沉积2微米的
银层204，并且将20微米的
铜稳定剂层205电
镀到条带的两侧上。条带被制成
电缆，该电缆然后缠绕成构成磁体的绕组。可能的电缆结构包括将条带缠绕在铜芯周围，或将条带堆叠成层，使得一个条带的底面直接位于下一个条带的顶面的顶部。
[0006] 以这种方式制造磁体具有多个缺点。首先，为了构成完整的绕组，电缆必须很长，这在制造HTS条带时呈现出制造上的挑战，并且意味着更换损坏条带的成本很高。其次，以这种方式缠绕磁体意味着较大的超导磁体通常必须在现场构造，因为完整的磁体太大而不能轻松移动。第三，电缆的使用限制了HTS条带的可能的构型，例如由堆叠条带构成的电缆具有最小的弯曲半径，因为条带上大于0.2％的任何张
力将阻止条带超导。例如，16.5mm高的条带堆叠将具有4125mm的最小弯曲半径——这将使得使用这种电缆的环向场线圈跨越至少16m。第四，电缆中条带的数量有效地由电缆暴露的最高磁场确定——在中心柱中经受非常高的磁场但在返回分支中经受较低磁场的环向场线圈中的电缆必须在其整个长度上仍然具有足够的条带，以在高磁场中运行，即使在较低的磁场中需要少得多的条带。
[0007] 目前的电缆设计也使得难以将HTS电缆连接在一起。使用电阻导体的接头可以被使用，但是增加了明显的热负载，因此理想地，一根电缆中的条带应与另一根电缆中的条带非常接近，以减少接头的电阻。这可以通过在定制电缆长度的端部绞合该条带来实现，但是将具有均匀的横截面的柔性电缆制造成很长的长度将很困难或甚至不可能。
[0008] US 2006/073979 A1和EP 1261112 A2均公开了具有其中
焊接有HTS条带的铜壳体的HTS电缆。
发明内容
[0009] 根据本发明的一个方面，提供了一种用于在磁体的线圈中承载电流的组件。该组件包括预成
型壳体，该预成型壳体包括被构造成保持HTS条带的通道。多个HTS条带的层被固定在通道中。通道包括至少一个预成型弯曲分区。预成型壳体可以由诸如铜的导热且导电的材料构成。预成型弯曲分区的
曲率半径小于该分区中的HTS条带层的总厚度除以HTS条带的最大容许
张力的两倍。
[0010] 该组件可以包括接头区域。接头区域中的HTS条带可以位于组件的外表面上，使得HTS条带与相应的组件的HTS条带在所述这些组件的所述接头区域的所述外表面被接合在一起时
接触。这种接头区域允许线圈由多个这种组件构成，由此可以根据需要插入和移除线圈的各个分区。
[0011] 壳体可以包括一个或多个冷却剂通道，以允许冷却剂流过组件。
[0012] 本发明还提供了一种包括如上所述的组件的超导磁体的场线圈的分区，以及包括多个这种分区的场线圈。
[0013] 根据一个
实施例，提供了一种用于在环形
核聚变反应堆中产生环向磁场的环向场线圈。线圈包括中心柱和多个返回分支，每一个包括如上所述的至少一个分区。中心柱可以从返回分支上拆卸，并且可以更换。穿过中心柱的中心的分区可以比更远离中心地穿过中心柱的分区包含更少的超导条带层。
[0014] 返回分支可以被构造成使得在使用中离中心柱最远的返回分支的区域具有比更靠近中心柱的区域更少的超导条带层。各返回分支可以被构造成使得返回分支中的条带之间的距离在返回分支的更远离中心柱的区域中更大，在返回分支的更靠近中心柱的区域中更小。每个返回分支可以分开，以减少自场。
[0015] 根据一个实施例，提供了一种
核聚变反应堆，其包括如上所述的环向场线圈和/或包括如上所述的一个或多个分区的极向场线圈。
[0016] 根据本发明的另一方面，提供了一种用于在磁体的线圈中承载电流的组件的制造方法。该方法包括形成具有所述组件所需的形状的壳体，该壳体包括至少一个被构造成保持HTS条带的通道。多个HTS条带层被分别铺设在通道中，并且被固定在通道中。通道具有至少一个预成型弯曲分区。预成型弯曲分区在至少一个分区中的
曲率半径小于该分区中的HTS条带层的总厚度除以HTS条带的最大容许张力的两倍。将HTS条带固定在通道中可以包括使用低温
焊料将HTS条带焊接到壳体的铜上。
[0017] 本发明的其它实施例在
权利要求2及下文中阐述。
附图说明
[0018] 图1是标准HTS条带的部件的示意图；
[0019] 图2是根据一个实施例的环向场线圈的中心柱的横截面；
[0020] 图3是根据一个实施例的环向场线圈的返回分支的示意图；
[0021] 图4a、4b和4c是根据一个实施例的接头的示意图。
具体实施方式
[0022] 为了克服上述问题，下面提出一种HTS磁体的替代结构。与使用电缆不同，刚性或半刚性的壳体被预成型为期望的形状，具有被构造成保持HTS条带的通道。壳体应当大体上是刚性的，但是应当理解，在壳体被制成之后，它可以围绕轴的任何组合略微弯曲、压缩或拉伸，只要不超过组件中的条带的最大容许张力。壳体不应当柔性得像线圈那样缠绕(如传统的HTS电缆那样)，而是应当具有足够的刚性，使其基本上保持其形状。壳体可以由诸如铜那样具有高导热性和
导电性的材料或诸如不锈
钢那样具有高强度和
刚度的材料或两者的组合制成。然后将HTS条带分别铺设在通道中并固定就位。主要根据环向场线圈(如例如可以在诸如用作核聚变反应堆的球形托卡
马克装置那样的
等离子体容器中使用的那样)来描述该结构，因为该几何结构证明了该结构的多个优点，但是技术人员应当理解，该结构可以与任何超导磁体几何结构一起使用。
[0023] 对于传统的电缆中的条带堆叠(即构成为直形然后弯曲的条带)，最小弯曲半径r由堆叠的厚度t除以最大容许张力e的两倍给出，即r＝t/(2e)，其中，最大容许张力以百分比给出。例如，对于最大容许张力为0.2％的10mm深的堆叠，采用半径小于2500mm的任何弯曲都将损坏条带。最大容许张力是条带的性能下降到可接受值以下时的张力。最大容许张力的示例值可以是“不可逆张力”(即当张力消除时，条带不能恢复的张力)，或者条带的载流量下降到不受张力的载流量的90％时的张力。
[0024] 将HTS条带分别铺设在预成型的通道中允许进行比传统的堆叠式HTS条带电缆更急剧的弯曲。最小弯曲半径由单个条带的厚度(约0.1mm)确定，而不是由堆叠厚度确定，这意味着它可以低至25mm。实际上，这种急剧弯曲未必是必要的，但是这显著地更能允许由洛伦兹力和热
应力导致的张力。对于球形托卡马克核聚变反应堆的环向场线圈，各载流组件可以包含比传统的HTS电缆可能的条带更多的条带，这意味着可以将中心柱制造得更加紧凑。
[0025] 应当优选地将HTS条带的弯曲限制成围绕平行于HTS材料的平面的轴线(通常称为a、b轴)弯曲，因为围绕垂直于HTS条带的c轴弯曲在半径上受到更严格的限制。壳体可以被构造成使得条带围绕长轴扭曲，以避免这种弯曲。可选择地，通道可以被制成为使得条带在必要时可以放置成围绕长轴扭曲，而不特别地将这种扭曲引入到通道中。
[0026] 例如可以使用低温焊料或
树脂或塑料
粘合剂将HTS条带固定就位。
[0027] 图2示出了包括多个载流组件的环向场线圈1的中心柱的横截面。各组件10包括具有被构造成保持HTS条带12的通道、冷却剂通道13和HTS条带的铜壳体11。在中心柱中，各堆叠中条带的数量不同，在较高磁场的区域(朝向柱的外部)设置更多的条带，因为各条带能够承载的电流在高场区域中减小。在该示例中，组件10布置成10个分区或区段14，各区段包括排成六行的21个组件。
[0028] 图2所示的布局模拟了传统的HTS电缆的可能性，但其它构型也是可能的。例如，十个区段14中的每个可以包括弯曲的铜片的堆叠，适当数量的条带在它们的表面被焊接到通道上，并且在它们之间具有径向间隙，以允许冷却。大体上，整个中心柱可以包括完整的同心铜柱体，条带在它们的表面被焊接到通道上。
[0029] 载流组件可以被构造成使得条带的构造根据超导磁体的不同部分的需要而不同。例如，环向场线圈的返回分支中的条带可以被展开，以减小返回分支中的HTS上的磁场(这也将产生空间，以允许为洛伦兹力提供更好的
支撑)。这种减小的磁场意味着与中心柱相比，返回分支中需要更少的条带。类似的展开结构可以用于极向场线圈。图3示意性地示出了具有示意性场强的“拉直的”返回分支。在经受较高磁场的区域中设置较多数量的条带，在经受较低磁场的区域中设置较少数量的条带。在电流传输的区域20中，磁场足够低，以使数量减少的条带承载电流，但是允许一些重叠，使得电流可以在具有最小电阻的条带之间重新分布。
[0030] 条带的数量沿着载流组件的长度变化，组件的横截面也可以沿着其长度变化，例如，以在某些分区提供更大的铜厚度，或在返回分支中展开条带，以减少返回分支上的自场。
[0031] 作为改变条带的数量的替代方案或附加方案，所使用的条带的“
质量”可以沿着组件的长度变化。在该上下文中，“较高质量”的条带可以在较高的磁场中承载较高的电流
密度，因此更昂贵。例如，可以在具有高自场的分区中使用较高质量的条带，可以在自场较低的区段中使用较低质量的条带。这些措施中的任一种都允许在需要磁体
稳定性的区域中呈现足够的
电流承载能力，同时仍然允许在其它区域中使用成本较低的结构。
[0032] 由于相连接的组件的条带可以相对于彼此精确
定位，因此对载流组件中单个条带的定位的精确控制使得能够制造组件之间的接头。例如，图4a至4c示出了环向场线圈30的中心柱34和返回分支35之间的“祈祷之手”接头。中心柱和返回分支都表示成具有两个回路31和32，各回路由在接头33处汇合的两个载流组件31a、31b、32a、32b构成。铜壳体11的形状被确定成使得接头区域可以接触，并且HTS通道被加工成铜，以允许接头区域中的条带-条带接触。条带12就位成使得各条带在表面上延伸一定距离，并且在接头处平行于表面，以允许较大的条带-条带接触的区域36以及由此低的电阻。在图4c所示的示例中，接头每侧的条带的数量相等，但是不必需要这样，只要每侧的条带之间有足够的接触即可。
[0033] 可以构成类似的接头，其中，接头处的两个“手”在相反的方向上(例如，图4c中围绕
水平线反映右手组件，使得HTS条带离开图的顶部)。
[0034] 在超导磁体中存在接头有多个优点。首先，它允许将组件制在更小的分区中。这意味着大型磁体可以被构造成多个对于运输而言足够小的
块，该块可以在现场外制造并移动到磁体的计划
位置。使用较小的分区还允许更容易地构造某些几何形状，例如球形托卡马克反应堆具有极向和环向场线圈，传统的结构具有在环向场线圈外部的极向场线圈。如果可以插入环向场线圈的中心柱，并且仅在极向场线圈完成后才接附返回分支，则极向场线圈可以被容易地放置在环向场线圈内部，这为等离子体约束产生了更好的磁场，也减小了极向场线圈及其电源的尺寸和成本，并且减小了托卡马克装置的外部磁场。
[0035] 球形托卡马克反应堆的环向和极向场线圈都可以根据这里描述的结构，作为没有接头的整个场线圈或作为连接的分区而制造。
[0036] 再次考虑球形托卡马克反应堆，设计这种反应堆时的一个问题是需要使中心柱的直径最小(因为这增大了反应堆的效率)。然而，HTS条带对
中子损伤很敏感，因此需要屏蔽来保证条带能够在高中子环境中使用。该屏蔽显著增加了中心柱的厚度，并且降低了中心柱外部的场强(因为载流部分在中心柱中更深)。如果中心柱可以被移除和更换，则它实际上可以被视为一次性部件，其设置有减少的屏蔽，并且每隔几个月或几年更换一次(而不是预期持续到反应堆的寿命)。当中心柱被视为一次性时，柱中的失超保护(例如，提供交流通路和失超检测系统的铜)的数量可以减少或完全去除，因为中心柱可以在由于失超而损坏的情况下被更换。接头由此允许具有难以通过“缠绕”线圈实现的形态的线圈的简单的“一次性”装配。接头还使得能够移除或更换磁体的单独部分(例如环向场线圈的中心柱)。
[0037] 接头具有一定的电阻(尽管增加接头面积使该电阻保持最小)，因此将在低温系统上产生一些额外的热负载。因此，在具有多个较小分区的优点和具有多个接头的缺点之间存在折衷。这可以通过具有特别针对接头的额外的冷却来缓解。另外，在磁体是用于核聚变反应堆的环向场线圈的情况下，由接头引起的加热与中心柱中经受的热量相比较低，因此不在低温系统上施加显著的额外负载。
