聚变堆用Nb3Sn超导磁体设计分析
超导磁体
4.9 超导磁体4.9.1 概述磁体系统是谱议的关键部件之一，它提供高强度和一定均匀度的恒定磁场，供主漂移室测量带电粒子的径迹，用以研究基本粒子间的相互作用和规律。
超导磁体利用轭铁提供磁场回路。
根据BESIII 物理工作的需要，要求主漂移室有高的动量分辨率，但主漂移室的动量分辨率主要由室内物质的多次库仑散射决定，此时改进室的空间分辨率和测量次数（增加灵敏丝的层数）以改进测量统计性都不能改进动量分辨率，而增加磁场强度可以达到这一目的。
但另一方面，如果磁场强度过高，更多的低能量粒子会陷在漂移室内打圈而很难测量。
综合各种因素，选择北京谱仪磁铁的中心磁场设计值为1.0T 。
为避免在粒子径迹拟合时做过多的离线计算机校正，要求径迹区内磁场不均匀度较小。
但由于线圈工艺复杂，体积宏大，加工生产中必然会产生不圆度。
另外由于各子探测器电子学的需要，轭铁上电缆孔很多，参照BESII 的情况，目前仍将不均匀度指标定在≤5%。
基于主漂移室IV 动量分辨率的要求，磁场测量精度应≤0.1%。
4.9.2 超导磁体设计4.9.2.1 磁体基本参数设计及计算根据北京谱仪BESIII 的物理要求，参照国际上同类磁体的设计进经验，确定采用单层线圈结构，间接冷却方式，超导电缆采用基于纯铝稳定体的设计。
根据总体和内部子探测器的尺寸要求，初步确定磁体外形尺寸长度为4.91m ，内直径为2.75m ，外直径为3.4m ，线圈的长度为3.52m ，线圈中心直径为2.95m 。
若取线圈电流I 为3000A ，nI B 00μ=，其中T B 10=，可得1m 长的线圈匝数为n ≈266匝，超导电缆沿线圈轴向方向的厚度为3.7mm ，考虑到匝间的绝缘层的厚度后，线圈总匝数为921匝。
考虑到线圈绕制时，由于超导电缆的连接会减少线圈的有效匝数，现将工作电流定为3150A 。
线圈的储能l D B l S B V B H E ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=⋅=42121)21(20202πμμ = 9.5兆焦耳。
物理实验技术中超导磁体的使用技巧详解
物理实验技术中超导磁体的使用技巧详解超导磁体是现代物理实验中不可或缺的重要工具，在各领域的研究中发挥着重要的作用。
本文将详细介绍物理实验技术中超导磁体的使用技巧，从超导磁体的构造、制冷技术到操作注意事项等方面进行论述。
一、超导磁体的构造超导磁体是通过在低温环境下运行的超导材料来产生极强磁场的装置。
它通常由内部包裹超导材料的绕组、外部的磁体壳体和制冷系统组成。
超导材料的选择对于超导磁体的性能至关重要，通常使用的是低温超导材料如NbTi和Nb3Sn。
绕组的设计和制作需要以高精度进行，以确保超导材料在低温下能够完全进入超导态，并产生稳定的磁场。
二、超导磁体的制冷技术超导磁体需要在低温环境下运行，常见的制冷方法有液氮制冷和液氦制冷。
液氮制冷通常用于低磁场的超导磁体，而液氦制冷则用于高磁场要求的超导磁体。
制冷系统的设计和操作关系到超导磁体的性能和寿命。
在制冷系统中，液氮或液氦会通过导管输送到超导磁体的制冷接头处，接触到超导材料以进行制冷。
制冷系统的绝缘和保温措施需要严格把控，以确保超导磁体在低温下能够长时间稳定运行。
三、超导磁体的操作注意事项在使用超导磁体时，需要注意以下几点：1. 防磁屏蔽：超导磁体会产生强磁场，需要在操作区域设置适当的磁屏蔽设备，以防止对周围仪器和设备的干扰。
2. 温度控制：超导磁体需要在严格的低温环境下运行，需要对制冷系统进行恰当的温度控制，以维持超导材料处于超导态。
3. 电源管理：超导磁体需要接入恰当的电源供电，电源的稳定性和纹波值对于超导磁体的运行至关重要。
4. 磁场控制：超导磁体的磁场强度可以通过调节电流进行控制，需要根据实验需求进行合理的电流设置，并在操作时注意电流的稳定性和变化速度。
四、超导磁体在物理实验中的应用超导磁体在物理实验中发挥着重要的作用，广泛应用于材料科学、生物医学、凝聚态物理等领域的研究中。
例如，在材料科学中，超导磁体可以用于研究材料的磁性和磁场效应；在生物医学中，超导磁体可以用于核磁共振成像等医学应用；在凝聚态物理中，超导磁体可以用于研究超导材料的性质和相变行为等。
核聚变反应堆设计与优化方案
核聚变反应堆设计与优化方案随着能源需求的增长和环境问题的日益严重，人类对于理想的能源形式一直有着追求。
核聚变作为一种高效、清洁的能源形式，被广泛认为是未来能源的解决方案之一。
然而，核聚变技术的实施仍然面临诸多挑战，其中一个关键问题是设计和优化核聚变反应堆。
本文将从核聚变反应堆的设计原理、现有设计方案以及优化策略等方面进行探讨。
核聚变反应堆的设计旨在实现核聚变反应的控制和稳定。
核聚变是一种以轻核反应为基础的能量释放过程，其核心机理是两个轻核聚变成一个重核并释放出大量能量。
为了实现核聚变反应，需要提供足够的燃料、适当的温度和压力条件，并采用合理的反应堆结构。
目前，最常见的核聚变反应堆设计是基于磁约束的热聚变堆和惯性约束的惯性聚变堆。
磁约束核聚变反应堆利用磁场将高温等离子体约束在容器内部，使之保持稳定。
常见的设计方案是托卡马克（tokamak）和磁康卢（stellarator）反应堆。
托卡马克反应堆将等离子体置于环形状的磁场中，通过磁力线的环状运动来实现约束。
磁康卢反应堆则采用复杂的三维磁场结构，更适用于长时间稳定运行。
在设计磁约束反应堆时，需要考虑磁场强度和形状、反应堆壁的材料和冷却方式等因素。
惯性约束核聚变反应堆则利用激光、离子束等方式将压缩的燃料靶点迅速加热到高温，使之聚变。
常见的设计方案是惯性约束聚变反应堆（ICF）和镭射驱动聚变堆（LIFE）。
ICF反应堆利用高功率激光将聚变材料压缩成高密度，然后加热至高温并实现核聚变。
LIFE反应堆则通过将聚变材料注入小球中，然后用激光束直接驱动球形中的聚变反应。
设计惯性约束反应堆需要考虑激光束和粒子束的精确控制以及燃料注入和冷却等技术问题。
为了进一步提高核聚变反应堆的效率和可靠性，对其进行优化是必不可少的。
首先，反应堆的材料选择和冷却方式对于提高能量密度和抵抗辐射损伤至关重要。
目前，钢材、陶瓷和复合材料都是常见的反应堆材料选择，而传统冷却方式包括水冷却、氦气冷却和液态金属冷却等。
聚变示范堆(HCCB-DEMO)氦冷固态氚增殖包层优化设计研究
聚变示范堆（HCCB-DEMO）氦冷固态氚增殖包层优化设计研究氦冷固态陶瓷氚增殖剂示范堆(HCCB-DEMO)设计是由核工业西南物理研究院于2009年提出的一种商用聚变示范堆方案。
其主要特点是：1)聚变功率为2550MW,电功率800MW;2)感应燃烧时间为8小时,等离子体运行模式为稳态反剪切模式：3)采用中性束注入作为电流驱动模式,包括16个TF线圈和6个PF线圈,超导导体采用NB3Sn;4)氚自持燃烧。
包层是聚变示范堆中的关键部件,要求将聚变堆中的热导出以转换成电能,同时还需要在有限的空间内保证氚增殖。
因此,聚变堆中的包层设计是一项具有挑战性的工作。
氦冷固态陶瓷氚增殖剂(HCCB)包层是国际上较为成熟的一种包层方案,是HCCB-DEMO的首选包层,同时也是我国国际热核聚变实验堆(ITER)计划上唯一参试的测试包层模块(TBM)概念。
基于HCCB-DEMO的堆芯方案以及我国近年来在ITER HCCB TBM研究与开发中积累的大量经验与成果,本论文提出了一种氚增殖性能更良好,满足聚变堆热电转换需求的氦冷固态氚增殖剂包层设计方案。
其主要设计参数为：1)包层平均中子壁负载2.3MW/m2,平均表面热负载为0.43MW/m2;2)冷却剂为8MPa氦气,出入口温度为300/500℃,提氚气体为0.3MPa 的氮气：3)结构材料采用中国低活化铁素体钢CLF-1,氚增殖剂采用单相正硅酸锂Li4SiO4小球,中子倍增剂采用双相铍Be小球,第一壁面向等离子体材料采用钨Wu合金。
其基本结构为：由内嵌冷却剂流道的U型第一壁,上下盖板以及背板系统共同包围成盒状结构,内部由垂直以及水平的筋板提供结构支撑,筋板与盖板同样内嵌了冷却剂流道。
筋板之间形成的空间插入增殖单元子模块,每个增殖单元子模块包括两块由正硅酸锂小球填充形成的U型球床区域,分别通过两块内嵌冷却剂流道的U型冷却板包围而成,冷却板外围填充铍小球,后端与增殖单元背板系统相连。
超导磁体的设计与制造
超导磁体的设计与制造超导磁体是一种应用超导材料制作的电磁体，具有极强的磁场产生能力和节能性能。
它广泛应用于核磁共振成像（MRI）、核聚变、粒子加速器等领域。
超导磁体的设计和制造是一项极为复杂的技术工程，需要综合运用材料科学、电磁学、力学、热学等学科知识，下面我们就来了解一下超导磁体的设计和制造。
一、超导磁体的设计超导磁体的设计是整个制造过程的核心，而超导材料的性能是设计的基础。
超导磁体的设计要考虑以下几个方面：1. 磁场强度和分布：超导磁体要产生所需的磁场强度和磁场分布。
磁场分布是指磁场在磁体内部的分布情况。
磁场强度和分布的设计需要考虑磁体的几何尺寸、导体的截面积、超导材料的临界电流密度等因素。
2. 电流密度和电压：超导磁体的导体要承受非常高的电流密度和电压，因此设计时需要考虑导体的制备工艺、材料的导电性能等。
如果电流密度过大，会导致导体的温度升高，严重时超导材料会失超导，从而影响磁场的产生。
3. 热稳定性：当电流通过超导材料导体时，会产生热量，导致材料温度升高。
超导磁体的设计需要满足材料的热稳定性，即在工作过程中，材料的温度不能超过其临界温度，否则会失超导。
4. 机械强度：超导磁体在工作时需要承受巨大的电磁力和机械应力，因此设计时需要考虑导体的机械强度和磁体结构的稳定性。
5. 制冷系统：超导磁体工作时需要保持超导材料在低温状态下，因此需要有制冷系统提供足够的低温冷却能力。
二、超导磁体的制造超导磁体的制造需要严格控制制备工艺，保证导体材料的性能，同时需要考虑导体的机械加工和磁体的装配工艺，下面我们来了解一下超导磁体的制造过程。
1.超导材料的制备超导材料的制备是超导磁体制造的第一步。
目前应用比较广泛的超导材料有NbTi、Nb3Sn、Bi2223等。
超导材料的制备工艺很重要，关系到其临界电流密度、热稳定性等性能。
比如，NbTi导体的制备工艺一般涉及到多次拉拔、退火等步骤，而Nb3Sn导体的制备需要采用复杂的溶胶凝胶法。
超导磁体技术在核聚变领域的应用
超导磁体技术在核聚变领域的应用超导磁体技术在现代工业中得到了广泛的应用。
其中，核聚变领域是一个非常典型的应用场景。
在核聚变实验中，高品质的磁场可以保证等离子体长时间保持稳定。
超导磁体技术可以提供强大的磁场，同时通过其超导特性，降低了能量损耗，其在核聚变领域的应用前景十分广阔。
超导磁体的基本结构分为超导线圈和液氦冷却系统两个部分。
超导线圈戴着高强度的电流，可以在一定程度上产生强大的磁场。
然而在超导状态下，它需要保持极低的温度，才能够保证不出现电阻。
液氦冷却系统能够将线圈维持在超导状态下，不断进行密闭循环制冷，使超导线圈处于低温状态。
因此，超导磁体技术也被称为“冷能源技术”。
在核聚变研究中，超导磁体技术可以操纵等离子体的粒子运动，使其保持稳定性，在长时间的聚变实验中得到广泛的应用。
例如，国际热核聚变实验反应堆（ITER）就使用了超导磁体技术。
这个利用聚变能源的研究设施，由国际热核聚变实验计划组织(ISP)建设。
ITER是一个重要的国际合作项目，旨在实现长时间的核聚变反应。
其设计将产生一个最大的磁场，也是任何聚变实验中都没有达到过的磁场。
ITER的输出功率预计将达到500MW，磁场强度则达到13T。
超导磁体技术在ITER中的应用包括四个主要领域：1、超导线圈发生器：这种设备通过电压钳制的方式生成大量的交变磁场，从而提供给超导线圈所需要的电能，使其保持超导状态。
ITER中有259组发生器，可以为800个超导线圈提供电能。
2、电机扭矩传输装置：这种装置通过磁极震荡实现扭矩传输，使得超导线圈始终处于稳定状态。
3、极间连接器：极间连接器连接了超导线圈和冷却系统，防止温度过高引起的能量损耗。
ITER中有近1300个极间连接器。
4、磁场监测和控制：为了保证实验过程中磁场的稳定性，ITER使用了大量的磁场监测设备，并通过反馈和控制进行磁场的精确调整。
因此，ITER的成功，不能没有超导磁体技术的先进应用。
此外，超导磁体技术在其他核聚变研究领域中也得到广泛应用。
超导在核聚变中的应用
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超导在核聚变中的应用
超导在核聚变中的应用主要是在磁约束聚变装置中，例如托卡马
克、球形托卡马克和环形托卡马克等。这些装置需要强大的磁场来约
束等离子体，使其保持高温和高密度状态以实现核聚变反应。超导技
术可以提供高强度的电磁场，因此被广泛应用于磁约束聚变装置中。
超导磁体通常采用NbTi（铌钛）或Nb3Sn（铌锡）超导线制成，
这些超导线可以承受高电流和高磁场，并产生非常强大的磁场。在磁
约束聚变装置中，这些超导磁体被用于产生主磁场和辅助磁场，以及
对等离子体进行约束和定位。超导技术的优点在于可以提供更高的磁
场和更高的能量效率，同时还可以减少电阻和热损耗，使得磁约束聚
变装置更加稳定和可靠。
超导技术的发展也推动了核聚变领域的进展，例如国际热核聚变
实验堆（ITER）项目就采用了大量的超导技术。ITER计划建造一个大
型磁约束聚变装置，用于研究核聚变反应和解决能源问题。超导技术
的应用使得ITER可以产生更强的磁场和更高的温度，从而更加接近
实现可控核聚变反应的目标。
升级版核聚变反应堆设计及实验结果初探报告
升级版核聚变反应堆设计及实验结果初探报告引言核聚变是一种取自太阳核心的能源形式。
传统的核能源反应采用核裂变技术，而核聚变反应则是将原子核融合在一起来产生能量。
核聚变反应具有巨大的潜力，因为它产生的能量比核裂变反应更高，燃料可获取性更好，且无辐射性。
本报告将探讨升级版核聚变反应堆的设计以及最新的实验结果。
一、设计概述1.1 反应堆类型升级版核聚变反应堆采用磁约束聚变技术，其中包括磁约束聚变装置（Magnetic Confinement Fusion Device，MC Fusion Device）和等离子体加热方法。
1.2 磁约束聚变装置升级版核聚变反应堆的磁约束聚变装置采用了先进的超导磁体技术。
超导磁体能够产生强大的磁场，将聚变反应所需的高温等离子体牢牢地控制在装置内部。
1.3 加热方法等离子体在反应过程中需要达到高温状态才能实现核聚变。
为了实现这一目标，我们使用了如高功率激光、微波、射频等等能量加热等离子体的方法。
二、实验结果初探2.1 聚变反应的基本原理核聚变反应的基本原理是将轻元素的原子核融合在一起形成更重的原子核，并释放出大量能量。
最常见的核聚变反应是氘氚核聚变反应，即氘和氚原子核的融合反应。
2.2 实验室实验结果经过一系列实验，我们成功地实现了升级版核聚变反应堆的初步实验。
我们利用磁约束聚变装置和等离子体加热方法，在实验室内模拟了核聚变反应堆的工作状态。
2.3 温度和能量输出实验结果显示，我们能够在等离子体中获得高达数百万摄氏度的温度，这是实现核聚变反应所需的最低温度。
同时，我们还发现，升级版核聚变反应堆能够输出相当可观的能量。
2.4 控制和稳定性除了温度和能量输出，控制和稳定性也是核聚变反应堆设计的重要考虑因素。
通过实验结果初探，我们发现升级版核聚变反应堆可以在较长的时间内保持稳定运行，并具有一定的控制性能。
三、未来前景与挑战3.1 能源潜力升级版核聚变反应堆不仅能够产生大量的能量，而且其燃料可获取性更好。
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第３４卷第８期２０１１年８月合肥ｉ业大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＥＦＥＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＩＡ３ＧＹ
Ｖ０１．３４Ｎｏ．８
Ａｕｇ．２０１１
Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．’１００３—５０６０．２０１１．０８．０１５聚变堆用Ｎｂ３Ｓｎ超导磁体设计分析
刘旭峰，杜世俊，。叶民友（中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥２３００３１）
摘要：文章介绍了Ｎｂ。ＳｎＣＩＣＣ超导磁体的设计分析过程。根据超导磁体设计要求，以零维模型为基础。给出了磁体设计的基本方法与公式，得到了磁体运行的主要性能参数。计算结果表明，导体具有较大的温度裕度和稳定性裕度，磁体的设计是安全可靠的。关键词：Ｎｂ３Ｓｍ管内电流导体（ＣｌＣＣ）；超导磁体；温度裕度；稳定性裕度中图分类号：ＴＭ５５１文献标识码：Ａ文章编号：１００３—５０６０｛Ｚ０１１｝０８—１１８３—０５
ＤｅｓｉｇｎａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＮｂ３Ｓｎｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｃｏｉｌｕｓｅｄｉｎｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｏｒ
ＵＵＸｕ－ｆｅｎｇ，ＤＵＳｈｉ－ｊａｎ，ＹＥＭｉｎ－ｙｏｕ
Ｉ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ２３００３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｌｌｒａｄ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅａｎａｌｙｔｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＮｂ３Ｓｎｃａｂｌｅ－ｉｎ－ｃｏｎｄｕｉｔｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ａ．０Ｃ）ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｃｏｉｌＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔＯｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｍａｇｎｅｔ，ａｓｅｔ
ｏｆ
ｍｅｔｈ－
ｏｄｓａｎｄｆｏｒｍｕｌａｓｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄｆｏｒｃｏｌｌｄｅｓｉｇｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｚｅｒｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｍａｉｎｐｅｒ－
ｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｘａｌ＇ａｌｌｌｅｔｅｒｓａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｏｒｈａｓｌａｒｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＩＴｌａｒｇｉｒｌａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｍａｒｇｉｎＴｈｅ
一，ｐｒｅｓｅｎｔｅｄｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｉｌｉｓｓａｆｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＮＩ。３Ｓｎ；ｃａｂｌｅ－ｉｎ－ｃｏｎｄｕｉｔｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ＣＩｏＣ）；ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｍａｇｎｅｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍａｒｇｉｍｓｔａｂｉｌｉ－
ｔｙｍａｒｇｉｎ
Ｏ引言未来的聚变堆对磁体的基本要求是能承受大电流、强磁场和大的电流变化率，而目前应用广泛且制造技术已趋于成熟的ＮｂＴｉ超导材料显然已不能满足这个要求。由Ｎｂ３ｓｎ材料构成的超导磁体最大特点是可以稳定运行于高的临界磁场和大的电流变化率情况下，因此以Ｎｂ。Ｓｎ取代Ｎｂ－Ｔｉ作为聚变堆超导磁体的材料成为必然趋势。目前，聚变装置中超导磁体的导体一般采用导管内多级绞缆导体，即所谓ＣＩＣＣ导体（Ｃａｂｌｅ－Ｉｎ－ＣｏｎｄｕｉｔＣｏｎｄｔ】｝ｃｔｏｒ，简称ＣＩＣＣ）。在超导电缆外面有一个不锈钢管，其作用是既可以用作冷却剂的压力容器，又可作为电磁力的支撑和传递部件。目前，将Ｎｂ。Ｓｎ超导线应用于ＣＩＣＣ大型超导磁体的设计与制造方面的有关报道不多，本文对Ｎｂ３Ｓｎ超导磁体设计及关键技术进行了研究，通过设计并制造出国内首个大型ＣＩＣＣＮｂ。ｓｎ导体的超导模型线圈，并对Ｎｂ３ｓｎ导体和磁体的各项性能进行测试。本文以零维模型为基础对磁体进行分析，通过一系列经典的计算公式得到模型线圈的相关参数，为磁体的工程设计和实验提供依据。１磁体设计方案及主要参数磁体初步设计方案为内径６００ｍｉｌｌ，外径８６０ｍｍ，高度１７０ｍｍ。线圈由ＣＩＣＣ导体绕制而成，为ＩＯＸ１０匝，导体总长度约２３０ｉｎ，线圈的
收稿日期：２０１０－０９—２１：修回日期：２０１０－ＩＩ—１０基金项目：国家９７３计划资助项目（２００９ＧＢｌ０１００３）作者简介：刘旭峰（１９７９一），男，安徽合肥人，博士，中国科学院等离子体物理研究所高级工程师Ｉ杜世俊（１９５０一），男，安徽合肥人，博上，中国科学院等离子体物理研究所教授，博士生导师；叶民友（１９６２－－）．男。安徽庐江人，博士。中国科学院等离子体物理研究所研究员，博士生导师．
万方数据１１８４合肥工业大学学报（自然科学版）第３４卷
整体结构和线圈的冷却回路如图１所示。模型线圈的冷却方式为超临界氦迫流冷却，工作温度为４．２Ｋ，分５个冷却回路，线圈自感为８．２ｍＨ，最大工作电流约１２ｋＡ，线圈储能５９ＭＪ。６００：ｌｒ７】黼㈣图ｌ线圈整体结构及冷却回路示意图超导模型线圈由ＣＩＣＣ导体绕制而成，该导体结构采用４级绞缆结构，绞缆的配置为（２Ｓｃ＋１Ｃｕ）Ｘ３×３×３。即第１级缆为２根超导线和１根铜线扭绞，第２级缆为３个第１级缆扭绞，其余类推，其绞缆配置如图２所示。导体中含超导线５４根，铜导线２７根，超导和铜导线的外径均为０．８３１Ｔｌｎｌ，单根超导线的最大工作电流为２２０Ａ。∞８瓷［邋二趟ａ＆，０．８８３＼／ｆ徊鳓为了降低交流损耗，在第３级缆外用０．１１Ｔｆｆｎ的不锈钢带进行花包，另外为了避免在穿管过程中损伤超导线，在最后一级缆外用０．１ｍｎｌ的不锈钢带进行了半叠包。第４级超导线缆成型后穿入壁厚１．５ｍｍ的３１６Ｌ不锈钢管，通过压方、成型后形成尺寸为１３ｍｍＸｌ７ｍｍ的ＣＩＣＣ超导电缆，超导电缆的空隙率为３３．４５％。线圈在最大工作电流下，截面上的磁场分布状况如图３所示。从中可以看出，线圈上的最大磁场约为４Ｔ且分布在线圈内侧，线圈中心及外侧的磁场要远低于内侧磁场。对于每匝导体，其不锈钢铠甲截面的拉伸应力为：仃一ＢＩＲ／Ａ（１）其中，Ｂ、ｊ和Ｒ分别为导体的磁感应强度、电流和半径；Ａ、口分别为不锈钢铠甲的截面积和拉伸应力。
Ｔ
Ｏ．２８Ｏ．３２０．３６０．４００．４４尼７ｍ
图３线圈截面磁场分布
按照最大磁感应强度值计算电磁应力值，得到ａ≈２２８ＭＰａ，而３１６Ｌ不锈钢在４Ｋ温度下的抗拉强度超过７００ＭＰａ，所以不锈钢铠甲的强度足够承载电磁载荷。
２磁体设计分析和计算２．１临界电流与温度裕度电流、温度与磁感应强度是影响超导体的３个重要参数，当超导体处于超导态时，这３个参数有一个上限。如果通过超导体的电流达到这个数值，超导体将从超导态转变为正常态，该电流值称为临界电流。超导体失去电阻进入超导态的温度称为临界温度。进一步的实验表明，外加一个足够强的磁场，超导体将从超导态转变为正常态，该磁场称为临界磁场。Ｎｂ。Ｓｎ超导线的临界电流与温度、磁场和应变有关，通常可通过经验公式对不同温度、磁场与应变条件下的临界电流进行预测。为了获得精确的经验公式，常常需要大量的测试数据对经验公式进行充实与修正，以期得到更为完善的结果。临界电流密度、临界温度和临界磁感应强度可分别由（２）～（４）式求得［１］：Ｊ。一Ｃｓ（￡）（１一ｔ１‘５２）（１一ｔ２）ｂｐ（１—６）９／Ｂ（２）Ｆ（Ｂ，ｅ）＝‰［ｓ（ｅ）］寺（１一ｂｏ）彘（３）
Ｂ壶（Ｔ，ｅ）＝Ｂ丕。一５（ｅ）（１一ｔ１·５２）（４）其中，．，。耳（Ｂ，ｅ）和Ｂ乏（Ｔ，￡）分别为临界电流密度、临界温度和临界磁感应强度；Ｂ乏。～为在温度与应变均为０的状况下的上临界磁感应强度；
万方数据第８期刘旭峰，等：聚变堆用ＮｂｓＳｎ超导磁体设计分析１１８５
Ｅｋ为磁感应强度和应变均为０的状况下的临界温度；ｓ（￡）为应变函数；Ｂ、Ｔ和￡分别为超导线的磁感应强度、温度和应变值；６、ｂ。和ｔ为归一化参数；Ｃ、Ｐ和口分别为需要通过实验数据来确定的拟合参数。其中归一化参数为：ＢＢ扫５菘可丽’ｂｏ。瓦面万’ｔ＝嘉％。根据（２）式可求得Ｎｂ３Ｓｎ超导线在温度４．２Ｋ、磁场４Ｔ和应变一０．７％下的临界电流ｊ。＝６８４Ａ。实际运行时，电流应不超过理论计算值的８０％。根据设计方案，超导磁体单根超导线的最大工作电流为２２０Ａ，远小于临界电流，磁体是安全的。温度裕度是指在给定磁场和运行电流下，超导体的电流分流温度Ｌ与导体运行温度Ｌ的差值，即ＡＴ＝Ｌ—ｋ＝［Ｅ（Ｂ，￡）一Ｔ印］（卜ｉ）（５）其中，ｉ为运行电流与临界电流的比值。对于一个运行电流为ｋ的超导体来说，当一个暂态能量输人到导体上时，导体温度由Ｌ升高到Ｔ，当Ｔ＜Ｔ。时，电流仍在超导体中流动，这时没有焦耳热产生。当导体温度满足Ｌ＜Ｔ＜Ｔｃ时，电流出现分流，一部分电流转移到铜基体中，焦耳热开始产生。当导体温度Ｔ＞Ｔｃ时，电流全部流入铜基体中。对于ＣＩＣＣ导体的设计来说，希望对于暂态的能量输入导体的温度小于Ｔｋ。温度裕度越大，导体越稳定［２］。由（５）式可以求出模型线圈的温度裕度ＡＴ＝６．６８Ｋ，线圈的温度裕度很大，远远超过Ｎｂｓｓｎ超导线圈设计的温度裕度（＞１Ｋ），这是因为模型线圈的磁感应强度远小于Ｎｂ３Ｓｎ超导线的临界磁感应强度（２２Ｔ）。２．２稳定性裕度稳定性裕度是导体能够保持或恢复到超导态容许承受的最大暂态能量，通常用单位电缆体积容许吸收的最大能量ＡＥ来度量。所谓稳定性裕度，意味着当导体的暂态能量小于△Ｅ时，导体是稳定的［２】。当温度在４Ｋ附近时，所有固体材料的比热容都变得很小，液氦和超临界氦的比热容比固体材料高出２～３个数量级，因此稳定性裕度主要由冷却剂决定。稳定性裕度的量值取决于导体电缆空间的氦在分流温度和运行温度之间的焓差，其最终的表达式可以写为：ＡＥ＝肯限ｆｈｅ（Ｌ—ｋ）（６）
其中，ｍ、Ｃｈｅ分别为液氦的密度和比热容；Ａ为液氦在电缆空间所占的比例，即空隙率。由（６）式计算得到稳定性裕度为：ＡＥ＝１８５２ｍＪ／ｃｍ３。
２．３铜超比ＣＩＣＣ导体是准低温稳定的，可以利用Ｓｔｅｋｌｙ判据来分析导体的稳定性［２１。Ｓｔｅｋｌｙ判据表示为：『２萨甄赢渤≤ｌ（７）
其中，ｙ为基体材料的电阻率；Ｊ。为超导体中的临界电流；Ａ为基体截面积；ｈ为传热系数；Ｐ，为电缆中股的湿润周长。当◇Ｔｏ时，电流向基体中转移，产生焦耳
热。这时需要足够的铜来运载来自导体的电流，并将热量传输到氦中去，以便超导恢复。只要热产生速率小于热移除速率，即ａ＜ｌ，就可以满足这一要求。当Ｔ—Ｔｃ时，电流将全部流人铜基体中，将Ｓｔｅｋｌｙ判据改写，从而得到使导体稳定的铜和非铜的比率应满足：爱≥最譬％。－㈣
带入相关参数后得到铜超比≥１．５，磁体导体设计的铜超比为２，满足铜超比的要求。２．４极限电流当导体每单位长度焦耳热产生的速率小于或等于从股线到氦的传热速率时，导体是稳定的，得到股线表面的功率平衡方程为［３］：‰乓／Ａ。≤Ｐ。Ｉ｝ｌ（Ｔｃ—ｋ）（９）
当焦耳热的产生和热移出相等时，运行电流达到了最大值，该电流称为极限电流，可表示为：Ｊ‰＝［夕。ｈＡ。（Ｔｃ—ｋ）／ｒ＝－Ｉ仉５（１０）