HTS大电流引线的阻性换热器安全性与效率.PDF

第 29 卷 第 3 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.29, No.3 2 0 0 9 年 9 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics Sep. 2009 文章编号：0254−6086(2009)03−0234−05 HTS 大电流引线的阻性换热器安全性与效率 毕延芳，丁开忠 (中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031) 摘 要：介绍了高温超导(HTS)大电流引线设计的安全性与效率的相关理论以及实验研究。实验结果表明： 安全性与阻性换热器(HEX)的电流密度和 HTS 组件的温度裕度相关，换热器的效率涉及冷却气流的流量、它与换 热面积、传热系数、铜材 RRR 值和换热器的优化长度等相关。 关键词：电流引线；阻性换热器；高温超导；安全性；换热器效率 中图分类号：TM89 文献标识码：A 1 引言 很大，最大的热流来自换热器的焦耳热和传导热。 超导强磁场约束极高温等离子体是当今聚变 由于失冷，阻性换热器的温升速率与其电流密度平 堆设计的主流手段，国际受控热核聚变实验堆是巨 方和电阻率成正比，而与换热器的比热成反比。 型的托克马克型磁约束装置。其 18 个 D 形线圈围 HTS 组件的温端到达失超温度的时间长短与其温 成环向磁场(TF) ，套在产生热核聚变的环形堆芯外。 度裕度相关，如果为节省 HTS 材料，则会减少它 TF 线圈的贮能量高达 41GJ 水平，鉴于失超故障安 的温度裕度，从而会缩短转变失超的时间。所以换 全考虑，TF 线圈运行电流高达 68kA ，每 2 个一组， 热器的电流密度、热容和 HTS 组件的温度裕度是 共需 9 对电流引线。若采用常规电流引线则每小时 电流引线安全性的关键参数。 消耗液氦 2056L ，制冷电耗约 1.24MW。改为高温 HTS 组件通常采用传导冷却模式，5K 冷端的 超导(HTS)电流引线可节省制冷电耗 2/3 。 热负荷不是致冷的主要功耗；而换热器的迫冷氦流 ITER 的 HTS 电流引线由运行在 5 ～65K 温区 是主要功耗。因此，此换热器效率和长度尺寸优化 的 HTS 组件和 65 ～300K 温区的氦气迫冷电阻性换 设计是涉及电流引线运行成本高低的关键。换热器 热器 ( 以下简称为换热器)组成。人们自然会担心 的效率取决于换热面积和氦流对换热器的传热系 HTS 的失超问题一旦失超，贮存在 TF 磁体内的巨 数大小，或者说取决于湿周界与换热系数的乘积大 大磁能必须安全释放，磁体电流必须在十多秒时间 小。对于 68kA 换热器，此乘积大于 7500W·(K⋅m)−1 内衰减至零。如果电流引线的 HTS 段过热(如升温 时，换热效率可达 99%。 至 300K 以上) ，或使 HTS 段损坏，或引起磁体或 决定冷却换热器氦流量的另一个重要因素是 馈线局部高电压击穿，其后果都是不堪设想的。 换热器有效长度是否优化，过短时室温端向换热器 HTS 失超原因及行为与低温超导磁体不同，只 有传导热，过长时换热器局部温度大于室温。换热 要 HTS 的运行温度满足安全要求它是不会失超的。 器的优化长度与材料的电阻率和热导率相关，仿真 因为 HTS 材料被牢固地锡焊在支撑筒上，不存在 计算表明，采用高导无氧铜有利于氦