[发明专利]基于应变或基于磁场的失超检测

说明书

一种检测包括HTS磁场线圈的超导磁体中预失超状况的方法。磁场线圈包括：多个匝，所述多个匝包括HTS材料和金属稳定物；以及导电材料，连接这些匝使得可以经由导电材料在这些匝之间径向共享电流。监测HTS磁场线圈和/或HTS磁场线圈的支撑结构的应变。将监测到的应变与磁体的正常运行期间的预期应变进行比较。响应于该比较，确定磁场线圈是否处于预失超状况。提供了一种类似的方法，其中，监测HTS的磁场线圈的磁场以检测预失超状况，而不是应变。

技术领域

本发明涉及高温超导磁体系统中的失超检测，并且更具体地，涉及失超检测的方法以及被配置为实施该方法的磁体系统。

背景技术

产生聚变能的挑战非常复杂。除了托卡马克装置之外，已经提出了许多替代装置，但还没有一种装置能够产生与目前运行的诸如JET的最佳托卡马克装置相媲美的任何结果。

世界聚变研究在ITER的构造开始之后已经进入了新阶段，ITER是有史以来最大且最昂贵(约150亿欧元)的托卡马克装置。通往商业聚变反应堆的成功路线需要长脉冲、稳定运行以及使电力生产具有经济性所需的高效率。这三个条件特别难以同时实现，并且所计划的项目将需要对ITER和其他聚变设施进行多年的实验研究以及理论和技术研究。人们普遍预计，通过这条路线开发的商业聚变反应堆直到2050年才能建成。

为了获得经济发电(即，输出功率远大于输入功率)所需的聚变反应堆，传统的托卡马克装置必须是巨大的(如ITER所例示)，使得能量限制时间(其大致与等离子体体积成正比)可以足够大从而等离子体可以足够热以发生热聚变。

WO 2013/030554描述了一种替代方法，包括使用紧凑型球形托卡马克装置作为中子源或能量源。球形托卡马克装置中的低纵横比等离子体形状改善了粒子限制时间，并允许在小得多的机器中产生净发电。然而，小直径中心柱是必需的，这对等离子体约束磁体的设计提出了挑战。高温超导体(HTS)磁场线圈是用于此类磁体的有前途的技术。

超导材料通常分为“高温超导体”(HTS)和“低温超导体”(LTS)。诸如Nb和NbTi的LTS材料，是超导性可以用BCS理论描述的金属或金属合金。所有低温超导体的临界温度(高于该温度，即使在零磁场下材料也不能超导)低于约30K。BCS理论并未描述HTS材料的行为，但此类材料的临界温度可高于约30K(尽管应该注意的是，是超导运行和成分的物理差异而不是临界温度定义了HTS和LTS材料)。最常用的HTS是“铜酸盐超导体”——基于铜酸盐(包含氧化铜基团的化合物)的陶瓷，例如BSCCO或ReBCO(其中Re是稀土元素，通常是Y或Gd)。其他HTS材料包括铁磷族元素化物(例如FeAs和FeSe)和二硼酸镁(MgB₂)。

ReBCO通常被制造为磁带，其结构如图1所示。这种磁带100通常约100微米厚，并且包括衬底101(通常是约50微米厚的电抛光哈氏合金)，一系列缓冲层通过IBAD、磁控溅射或其他合适的技术沉积在该衬底101上，该一系列缓冲层称为缓冲堆叠件102，厚度约0.2微米。外延ReBCO-HTS层103(通过MOCVD或其他合适的技术沉积的)覆盖缓冲堆叠件，并且通常是1微米厚。1至2微米的银层104通过溅射或其他合适的技术沉积在HTS层上，并且铜稳定物层105通过电镀或其他合适的技术沉积在磁带上，铜稳定物层105通常完全封装磁带。

衬底101提供了机械主干，该机械主干可以通过生产线进料并允许后续层的生长。缓冲堆叠件102需要提供双轴织构晶体模板，在其上生长HTS层，并防止元素从衬底化学扩散到HTS，该化学扩散会损害其超导特性。银层104需要提供从ReBCO到稳定物层的低电阻界面，并且稳定物层105在ReBCO的任何部分停止超导(进入“正常”状态)的情况下提供替代的电流路径。

此外，可以制造“剥离的”HTS磁带，该“剥离的”HTS磁带缺少衬底和缓冲堆叠件而在HTS层的两侧都具有银层。具有衬底的磁带将被称为“衬底”HTS磁带(tape)。