[发明专利]用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆

说明书

本发明公开了一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆，包括有支撑结构，在支撑结构上轴向的开有多个沟槽，在每个沟槽的底部和侧壁上均开有半圆形低温冷却槽，在每个沟槽内通过导热导电焊料焊接固定有高温超导带材堆叠，在高温超导带材堆叠上方设有填充物质对带材堆叠进行固定，在支撑结构的中心开有中心冷却孔，在支撑结构的外侧套有保护壳。本发明用了传导冷却和直接冷却两种冷却方式。本发明所述的电缆采用螺旋扭绕的高温超导堆叠消除了高温超导带材的各向异性，提高了电缆的机械性能，增强了电缆在大电流，复杂强磁场聚变环境下的稳定性。

技术领域

本发明涉及高温超导电缆技术领域，尤其涉及一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆。

背景技术

核聚变能由于其安全、清洁、高效及原材料丰富等优点有望成为解决人类能源危机的主要途径之一。近年来，托卡马克装置由于可产生更高性能的高温等离子体备受磁约束核聚变界青睐。未来为了产生GW及更高功率的聚变能，托卡马克装置等离子体中心的约束磁场需要不断提高；而传统的低温超导电缆受到上临界磁场和温度的限制，导体性能达到了工作极限。考虑到下一代托卡马克装置的发展，开展更高性能的新型高温超导电缆成为了一项极为重要的工作。近年来，随着高温超导技术的发展(尤其是铋系及稀土系高温超导带材制备技术的发展)，使得设计满足未来聚变磁体所需求的大电流、强磁场环境下的高温超导电缆成为可能。

此外，在高磁场磁体的设计中，随着磁场强度的不断提高，基于高温超导磁体作为内插磁体的混合磁体设计越来越多的受到了关注。基于混合磁体的高磁场设计展现出比常规磁体以及低温超导磁体更优良的性能以及更高的中心磁场。在高磁场混合磁体设计中，设计能够满足在大电流、强磁场环境下稳定工作的高温超导电缆是其重要工作之一。

电力传输用高温超导电缆主要由电缆芯、低温容器、终端和冷却系统组成。采用无阻、具有高电流传输密度的高温超导材料作为导体，高温超导电缆可实现体积小、重量轻、损耗低和传输容量大等一系列优点。不同于超导的传统电力传输应用，聚变用高温超导电缆往往工作在大电流、强磁场环境下，这就要求电缆在具有大电流传输能力的同时，还必须考虑导体的各向异性，且具有足够高的机械强度及在极端工作环境下的稳定性等要求。

目前实用高温超导材料主要包括：Bi2212、Bi2223、Fe基高温超导以及REBCO带材。Bi2212材料需要复杂的热处理，带材以银为基底，造价高昂。Fe基高温超导材料具有较高的临界磁场，在高磁场下能够承载较大的电流；而REBCO带材不需要复杂的热处理工艺，原材料造价相对较低，上临界磁场和温度分别大于100 T和90 K，将会是未来设计制造聚变用高温超导电缆的重要选项之一。然而，由于高温超导带材的各项异性问题限制了超导材料在垂直场下的载流能力。因而，研制具有较高机械强度的具有各项同性的高温超导电缆迫切需要。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆，包括有支撑结构，在支撑结构上轴向的开有多个沟槽，在每个沟槽的底部和侧壁上均开有半圆形低温冷却槽，在每个沟槽内通过导热导电焊料焊接固定有高温超导带材堆叠，在高温超导带材堆叠上方设有填充物质对带材堆叠进行固定，在支撑结构的中心开有中心冷却孔，在支撑结构的外侧套有保护壳。冷却工质液氦、液氖或液氮从中心冷却孔和低温冷却槽流过，对高温超导带材进行直接和传热冷却。在高温超导电缆发生失超时，高温超导带材外的焊料和相邻带材外的覆铜将会起到分流的作用，对电缆进行主动失超保护。高温超导带材不需要绝缘处理。

所述的高温超导带材堆叠是采用多个各向异性的Bi2223或者Fe基高温超导或者REBCO高温超导带材构成的。