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刘羽涵,王银顺*
LIU Yuhan, WANG Yinshun*
摘要: 【目的】高温超导(high temperature superconducting,HTS)D型线圈是核聚变装置中的核心部件之一,其运行电流大、磁场高,产生的洛伦兹力大,对磁体的稳定运行具有重要影响。为此,对采用基于圆芯管内电缆导体(conductor on round core cable-in-conduit conductor,CORC CICC)的D型磁体和环形磁场(toroidal field,TF)线圈在20 K温度下的机械稳定性进行了研究。【方法】首先,建立并分析线圈三维有限元模型,得到其单位体积的力在D型磁体弯曲处、TF线圈中心段最大,分别为1.74×108 N/m3和2.24×108 N/m3;接着,分析磁体三维力热耦合模型,针对磁体不同位置的机械稳定性进行研究,对其失超能及失超传播速度进行了计算,得到在磁场最大位置的失超能与失超传播速度最大,其中失超能为1.03×106 J/m3,轴向和横向失超传播速度为142.86 mm/s和2.77 mm/s。最后,提出一种加入氮化铝(AlN)和环氧树脂混合材料的方法来提升磁体的机械稳定性。【结果】在磁场最大位置的最小失超能变大。添加混合材料后,轴向失超传播速度比不加时更慢,横向失超传播速度比不加时更快。【结论】D型磁体和TF线圈存在机械稳定性最薄弱部位,所提出的机械稳定性方法不仅可以有效提高磁体的机械稳定性,也对20 K温区大型超导磁体的设计和运行具有重要参考价值。