[发明专利]超导磁体中的淬火保护

说明书

一种环形场线圈，包括中心柱、多个返回分支、淬火保护系统和冷却系统。中心柱包含高温超导材料。每个返回分支包括可淬火区段、两个高温超导区段和淬火5系统。可淬火区段包括超导材料，并且被配置为增大环形场线圈的磁场。高温超导区段包含高温超导材料。高温超导区段将可淬火区段电连接到中心柱，并与中心柱和可淬火区段串联。淬火系统与可淬火区段10相关联并且配置成对可淬火区段淬火。淬火保护系统配置成检测环形场线圈中的淬火，并且响应于对淬火的检测，使淬火系统对一个或多个可淬火区段中的超导材料淬火，以便将能量从环形场线圈中转储到一个或多个可淬火区段中。冷却系统配置成将每个15可淬火区段冷却到超导材料具有超导性能的温度。每个可淬火区段具有热容量和电阻率，所述热容量足以使当能量从环形场线圈转储到可淬火区段时，可淬火区段的温度保持低于第一预定温度，并且所述电阻率足以引起磁体的电流足够快地20衰减，使得高温超导区段的淬火部分的温度保持低于第二预定温度。

技术领域

本发明涉及超导磁体。更具体地，本发明涉及用于对这种磁体进行淬火保护的方法和设备，尤其涉及对用于核聚变反应堆的磁体进行淬火保护的方法和设备。

背景技术

超导磁体是由超导材料的线圈形成的电磁体。由于磁体线圈具有零电阻，所以超导磁体可以在零损耗的情况下承载较高电流(但是非超导元件会导致有一些损耗)，因此可以实现具有比传统电磁体更低损耗的较高磁场。

超导性仅发生在某些材料中，并且仅在低温下发生。超导材料将在由超导体的临界温度(在零施加磁场中材料是超导体的最高温度)和超导体的临界场(该材料在0K下是超导体的最高磁场)限定的区域中表现为超导体。超导体的温度和存在的磁场限制了在超导体未具有电阻(或“正常”，在此用于表示“不是超导”)的情况下超导体可以承载的电流。有两种类型的超导材料：I型超导体完全排除磁通量穿透并具有较低的临界场，II型超导体允许磁通量在称为通量涡流的局部正常区域内穿透超导体，高于较低的临界场。它们在较高临界场下不再是超导的。该特征使它们能够用于构造超导磁体的导线中。已经做出了相当大的努力来将通量涡流位置固定到原子晶格上，这改善了在较高磁场和温度下的临界电流。

从广义上讲，有两类II型超导体。低温超导体(LTS)通常具有低于20K的临界温度(没有外部磁场)，并且高温超导体(HTS)通常具有高于40K的临界温度。许多目前的高温超导材料的临界温度高于77K，这允许使用液氮进行冷却。然而，本领域技术人员将理解，低温超导材料和高温超导材料通过除临界温度之外的标准来区分，并且高温超导材料和低温超导材料是某些类别材料的技术术语。通常(但不是唯一地)，高温超导材料是陶瓷，低温超导材料是金属。

在超导磁体中可能出现的一个问题是淬火。当超导导线或线圈的一部分进入电阻状态时发生淬火。这可能由于温度或磁场的波动，或超导体中的物理损坏或缺陷(例如，如果磁体用于核聚变反应堆中则通过中子辐射会导致超导体中的物理损坏或缺陷)而发生。由于磁体中存在较高电流，即使超导体的一小部分变得具有电阻时，它也会迅速升温。所有超导导线都配有一些铜稳定剂，以用于淬火保护。如果超导体变得正常，则铜为电流提供替代路径。存在的铜越多，在淬火导体的区域周围形成的热点中的温度升高越慢。

在低温超导磁体中，当发生淬火时，“正常区域”将以大约每秒几米的速度快速传播。这是由于所有材料在低温下的低热容量以及低温超导材料通常在更接近其临界温度时操作而发生的。这意味着淬火在低温超导磁体中快速传播，并且在淬火中消散的存储的磁场能量将遍布磁体，使其升温。