高载流高场应用的准各向同性高温超导导体低温电磁、机械及稳定性研究

Although much more progress on 2G HTS tapes, which can be fabricated with velocity of 200m/hour and critical current in high magnetic field increases greatly by adopting strong doping and pinning technique, has been made in recent years, the practical 2G HTS tape can be manufactured with high aspect ratio due to its intrinsic high textured characteristics. There is a bottleneck in application of superconducting devices with large current capacity. Thus, several types of 2G HTS conductors were proposed and their prototypes were successfully fabricated. Research mainly focuses on their characteristics in low temperature (LHe temperature) and high field. The application project aims to fundamental research on a quasi-isotropic critical current with high current carrying capacity for high field application in low temperature (LHe temperature). The research mainly include critical current in low temperature and high field, bending, tensile, twisting, stability and fabricating technologies of practical length HTS conductor. It was predicted that the research results has significant application in large current power application, the next generation nuclear fusion reactor, the accelerator and other strong magnetic magnets applications.

虽然第二代高温超导带材(REBCO)技术取得了长足进展，生产速度达到120米/小时，采用强钉扎技术，使得高场下临界电流大幅度增加，但是由于第二代高温超导材料的高度织构取向本征特性，实用第二代高温超导带材只能加工成高纵横比的带状结构。而单根带材载流能力有限，对于高场大电流容量超导装置应用遇到技术瓶颈。近几年来，国际上相继开展了几种大电流容量高温超导导体在低温（液氦温区）高场下的研究，且取得了重要进展。本申请课题对低温下（液氦温区）一种临界电流准各向同性高载流容量的高温超导导体基础问题进行研究，主要包括准各向同性高温超导导体低温高场下的临界电流特性、弯曲特性、扭绞特性、拉伸应力特性、稳定性以及实用长度导体电缆加工关键科学问题。研究成果对于大电流电力应用和下一代核聚变反应堆、加速器等强磁场磁体应用具有重要实用价值。

虽然第二代高温超导带材(REBCO)技术取得了长足进展，采用强钉扎技术使得高场下临界电流大幅度增加，但是由于第二代高温超导材料的高度织构取向本征特性，实用第二代高温超导带材只能加工成高纵横比的带状结构。而单根带材载流能力有限，对于高场大电流容量超导装置应用遇到技术瓶颈。近几年来，国际上相继开展了几种大电流容量高温超导导体在低温高场下的研究，且取得了重要进展。本项目对准各向同性高温超导导体的临界电流特性、机械特性、交流损耗特性、稳定性等关键科学问题开展研究。.对于准各向同性超导股线机械特性的研究，首先测试了REBCO超导带材的拉伸、弯曲和扭绞特性，以及REBCO带材和铜带交替堆叠的准各向同性超导股线的弯曲和扭绞特性。然后，提出了基于层合板理论的准各向同性超导股线机械特性研究方法，建立了三维(3D)有限元仿真模型，提出了准各向同性超导股线电流密度和应力之间关系公式，计算出了准各向同性超导股线的临界弯曲半径。最后通过所建模型，仿真分析了准各向同性超导股线沿不同方向弯曲时的临界弯曲半径，研究发现其各向异性率小于18%，说明超导股线在机械特性方面也呈现准各向同性。.对于准各向同性超导股线交流损耗特性的研究，理论和实验研究了准各向同性高温超导股线传输直流电并处于交流外磁场下的磁化损耗、动态损耗和总损耗，搭建了二维T-A仿真模型，研究了磁化损耗和动态损耗与传输电流和外磁场强度、频率的关系，为准各向同性高温超导股线交流损耗的评估和计算提供了方法。.对于准各向同性超导股线的稳定性研究，建立了基于超导分流理论的三维电热失超模型，并考虑超导带材热导率的各向异性，模拟了该股线在失超以及失超恢复情况下的变化过程。.最后研制了基于准各向同性高温超导股线的CICC导体，并对其电磁特性进行了研究。研究成果对于大电流电力应用和下一代核聚变反应堆、加速器等强磁场磁体应用具有重要实用价值。