[发明专利]HTS磁体的支撑结构

说明书

技术领域

本发明涉及用于磁体的支撑结构，具体地涉及用于包括高温超导体(HTS)的磁体的支撑结构，特别是用于向托卡马克装置提供极向场和环向场的磁体。

背景技术

超导磁体是由超导材料的线圈(“场线圈(field coils)”)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。

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。

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30K-40K的临界温度，高温超导体(HTS)具有高于30K-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。

由于磁体需要冷却到低温，因此它们典型地被包括在设计成使磁体的加热最小化的低温恒温器中。这种低温恒温器典型地包括真空腔以使通过对流或传导的加热最小化，并且可以包括一个或多个隔热罩，该隔热罩在介于磁体的温度和外部温度之间的中间温度下，以使辐射加热最小化。

磁体的所有支撑结构都被冷却到尽可能低的温度，以减小场线圈上的热负载以及由此场线圈本身所需的冷却。特别地，接附在磁体上的任何部件都被冷却以减少通过传导的热量传递，并且任何到场线圈具有可视通路的部件都应当被冷却以减少辐射传热。

对于一些磁体结构，例如用于托卡马克装置等离子体腔的环向场线圈，磁体上的电磁负载可非常高。环向场线圈的自场产生作用在每个环向场线圈的平面内的力，并且从各场线圈的内部(即从等离子体腔中的真空容器)向外作用。尽管自场对场线圈没有净力，但EM力的作用是场线圈的强大的内部张力。实践中，可以认为环向场线圈始终处于向外的压力下，该压力倾向于将它们推向“爆裂”。

除了自场之外，托卡马克装置中的环向场线圈电流与的极向场(由等离子体电流产生)之间的相互作用产生垂直于场线圈平面的负载，该负载用于使用相反的环向力使环向场磁体扭转。该力小于自场产生的力，但它通常是脉动的，这可能在支撑结构上施加附加的应力。

抵消环向场线圈的EM力的支撑结构采用线圈间结构和线圈壳体的形式，这增加了磁体组件的刚度和强度。这些结构保持在包含磁体的低温恒温器的冷却体积内，以避免向磁体传递热量。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种用于包含高温超导体(HTS)的场线圈的支撑结构。该支撑结构包括内部负载传递构件，该内部负载传递构件被构造成一端接附到场线圈而另一端接附到包含场线圈的真空容器的内表面，并且构造成支撑场线圈以抵抗作用于场线圈上的电磁力。内部负载传递构件的至少一部分被构造成在HTS磁体工作期间保持在室温下。

实际上，在工作中，内部负载传递构件的接附到场线圈的端部可以处于与场线圈基本相同的温度(例如约30K)，另一端可以处于室温，因此可能存在沿着内部负载传递构件的温度梯度。一些内部负载传递构件可能被冷却或内部负载传递构件可能未被冷却。

支撑结构可以包括被构造成支撑内部支撑构件的外部支撑构件。外部支撑构件可以与真空容器成为一体或接附到真空容器的外表面。外部支撑结构未被冷却。

内部负载传递构件可以被构造成接附到真空容器的上部内表面和场线圈的上部部分。内部负载传递构件可以包括层压材料(例如玻璃纤维环氧树脂材料)，层压材料的平面垂直于内部负载传递构件的负载轴线。替代材料包括玻璃、碳、Kevlar、Zylon的沿着负载方向排列并与带子嵌入环氧树脂中的单向纤维，该带子缠绕成包含爆裂应力。在安装有合适的抗弯带的情况下，也可以使用金属管。

场线圈可以是环向场线圈(例如用于将等离子体限制在托卡马克装置中)，内部负载传递构件被构造成接附到环向场线圈的返回分支。

根据一个实施例，提供了一种用于HTS场线圈的低温恒温器，该低温恒温器包括如上所述的支撑结构以及包围内部支撑构件和场线圈的真空容器。低温恒温器还可以包括位于真空容器和场线圈之间的隔热罩以及用于将隔热罩(可选地使用液氮)冷却到介于场线圈的温度与真空容器的温度之间的中间温度的冷却系统。冷却系统还可以用于冷却内部负载传递构件的内部部分。内部负载传递构件可以穿过隔热罩。