[發明專利]低溫磁體電源

有效

• 申請號: 201880010994.1
• 申請日: 2018-02-07
• 公開（公告）號: CN110352465B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 羅伯特·斯萊德
• 申請（專利權）人: 托卡馬克能量有限公司
• 主分類號: H01F6/00
• 分類號: H01F6/00;H01F6/04;H01F6/06
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 倪斌

描述了一種磁體組件，包括超導線圈、低溫系統、DC電壓源、SMPS、電流引線以及控制器。低溫系統包括低溫恒溫器，并且被配置為將超導線圈維持在低于超導體的臨界溫度的工作溫度。DC電壓是位于低溫恒溫器外部的源。SMPS位于低溫恒溫器內部，并且被配置為從DC電壓源向超導線圈供應電力。SMPS包括具有初級繞組和次級繞組的降壓變壓器。電流引線將DC電壓源連接至SMPS。控制器被配置為：使SMPS向磁體供應第一量的電力以便將磁體斜升至工作電流，并且在磁體的穩態工作期間向磁體供應第二量的電力，其中，第一量的電力大于第二量的電力。

技術領域

本發明涉及用于超導磁體的電源。

背景技術

超導磁體是由超導材料的線圈制成的電磁體。因為電磁體線圈具有零電阻，所以超導磁體能夠攜帶具有零損耗(但是會存在來自非超導組件的一些損耗)的大電流，并且因此能夠實現比傳統的電磁體損耗更低的強場。

只在某些材料中并且只在低溫下產生超導性。在由超導體的臨界溫度(材料在零施加磁場中為超導體的最高溫度)和超導體的臨界場(材料在0K下為超導體的最大磁場)定義的區域中，超導材料將表現為超導體。超導體的溫度和存在的磁場在超導體沒有變為電阻性(或“正常”，在本文用于表示“非超導的”)的情況下限制了能夠由超導體攜帶的電流。存在兩種類型的超導材料：I型超導體完全排除了磁通量穿透并且具有低的臨界場，II型允許磁通量在局部的正常區域之內在下臨界場之上穿透超導體，這被稱為磁通漩渦(fluxvortice)。這兩種類型的超導材料在上臨界場處不再是超導的。該特征使它們能夠用作用于構造超導磁體的線。已經做出了大量的努力來將磁通漩渦位置固定(pin)至原子晶格，這提高了較高磁場和溫度下的臨界電流。

概括的說，存在兩種類別的II型超導體。低溫超導體(LTS)的臨界溫度通常低于20K(沒有外部磁場)，而高溫超導體(HTS)的臨界溫度通常高于40K。許多現有HTS材料的臨界溫度高于77K，這允許使用液氮進行制冷。然而，本領域技術人員將了解，LTS和HTS通過臨界溫度之外的準則來區分，且HTS和LTS是本領域中用于材料的某些種類的術語。通常(但是非排除性地)，HTS材料是陶瓷，而LTS材料是金屬。

HTS磁體的一種應用是在托卡馬克(tokamak)聚變反應器中。托卡馬克以強環形磁場、高等離子體電流以及通常大的等離子體體積及大量的輔助加熱的組合為特征，以提供熱穩定等離子體，使得可以發生聚變。需要輔助加熱(例如，經由數十兆瓦的高能量H、D或T的中性束注入)來將溫度增加至發生核聚變所需的足夠高的值，和/或來維持等離子體電流。

為了獲得經濟的發電(即，遠多于電力輸入的電力輸出)所需的聚變反應，傳統的托卡馬克必須是巨大的,使得能量約束時間(其大致與等離子體體積成比例)可以足夠大，從而等離子可以足夠熱以使熱聚變發生。

WO2013/030554描述了備選方法，涉及用作中子源或能量源的緊湊球形托卡馬克的使用。球形托卡馬克中的低縱橫比等離子體形狀改進了粒子約束時間，并且允許小得多的機器中的凈發電。然而，小直徑的中心柱卻是必需品，這對等離子體約束磁體的設計提出了挑戰。

HTS對托卡馬克的主要吸引力是HTS在強磁場中攜帶大電流的能力。這在緊湊球形托卡馬克(ST)中是特別重要的，其中中心柱的表面上的磁通量強度將超過20T。次要的優點是HTS在比LTS更高的溫度(例如，約20K)下在高磁場中攜帶大電流的能力。這實現了更薄的中子屏蔽的使用，從而導致中心柱的更高的中子加熱，這將排除使用液氦的操作(即，在4.2K或以下)。這進而實現了具有小于大約2m(例如，將考慮大約1.4m)的主等離子體半徑的球形托卡馬克的設計；這種設備將使其幾個百分點的電力輸出再循環用于低溫制冷。

然而，這種磁體遠大于之前使用HTS材料設計的磁體。迄今為止，即使用于相對小的托卡馬克的環形場(TF)磁體也將是目前構造的最大的HTS磁體，并且即使是根據LTS標準也表示具有很高的存儲能量的大型磁體。