[发明专利]超导磁体中的失超保护

说明书

一种防止超导磁体失超的方法，超导磁体具有包括高温超导体HTS材料的至少一个初级线圈。设置次级HTS带，次级HTS带与初级线圈接近并且与初级线圈电绝缘，并且被配置为在磁体操作期间在比初级线圈更低的温度下停止超导。检测次级HTS带中超导性的失去。响应于所述检测，能量从初级线圈转储到外部电阻性负载中。

技术领域

本发明涉及超导磁体中的失超保护。特别地，本发明涉及用于识别可能的失超的方法和装置，以便可以在包含高温超导体的磁体中采用保护措施。

背景技术

超导磁体是由超导材料的线圈形成的电磁体。由于磁体线圈的电阻为零，因此超导磁体可以承载零损耗的高电流(尽管非超导组件会有一些损耗)，因此可以达到具有比传统电磁体低的损耗的高场。

超导性仅在某些材料中且仅在低温下发生。超导材料起到由超导体的临界温度(材料在零磁场中为超导体的最高温度)和超导体的临界场(材料在0K下为超导体的最高磁场)限定的区域中的超导体的作用。超导体的温度和存在的磁场限制了超导体在不变为电阻性的情况下超导体能够承载的电流。

一般来说，存在两种类型的超导材料。低温超导体(LTS)的临界温度低于30-40K，高温超导体(HTS)的临界温度高于30-40K。目前许多HTS材料的临界温度高于77K，这允许使用液氮进行冷却。

超导磁体中可能发生的一个问题是失超。当超导线圈的一部分进入电阻性状态时发生失超。这可能是由于温度或磁场的波动或超导体中的物理损伤或缺陷(例如，如果磁体用于聚变反应堆中通过中子照射)而发生的。由于磁体中存在高电流，即使当超导体的一小部分变为电阻性时，超导体也快速升温。在LTS磁体中，这快速提高周围区域的温度。这使得周围区域也变为电阻性，并且这在链式反应中继续，这使得非常迅速转向整个磁体电阻性(一直到几秒，取决于线圈的尺寸)。

由于HTS磁体的温度裕度较大，材料在较高温度下的比热较高，因此HTS磁体中的失超不会快速地传播。这会导致对磁体更大的损坏，原因在于磁体中的所有能量都沉积在非常小的电阻性体积中。

失超导致磁体中的能量转换为热，这会使任何液体冷却剂汽化，并可以导致磁体的永久性损坏。磁场中存储的能量由下式给出：

即，磁通密度越大和体积越大，磁体的储存能量就越大。强大的磁体释放的能量可以处于与炸药棒爆炸类似的量级。

传统的失超管理方法是提供外部电阻负载，当检测到局部失超时，电流可以被“转储”在外部电阻性负载中。上述简化示意图如图1所示。在正常操作期间，开关1闭合，开关2打开，从而使电压转储短路。当检测到失超时，开关2闭合，开关1打开。这使电源4短路，并且迫使来自超导磁体3的电流通过恒压转储5(即外部电阻性负载)。对于HTS磁体，电流可以转储到磁体的远离原始热点的部分，以便将能量沉积扩散到更多的线圈上，从而限制任一点处的温度升高。

如图2所示，HTS带11夹在铜层12之间以形成诸如线缆的导体。铜稳定器12充当HTS带11的外部电阻性负载。铜稳定器12用于在失超期间导出过量电流(通过电流流14示出)，并且还去除一些热。通过增加HTS导体中的铜的量可以降低失超初始热区13加热的速率，增加HTS导体中的铜的量降低了铜的电阻并增加了其热容量。

但是，在需要较小直径导体的应用中，铜稳定器会显著增加导体的尺寸。例如，在一个球形托卡马克核聚变反应堆中，中心柱需要尽可能小，以便尽可能减小设备尺寸和成本，并提高反应堆的效率(通过增加纵横比，并通过增加等离子体内表面处的磁场)。较薄的导体意味着磁体可以在任何应用中制造得更加紧凑，并且可以增加某些几何形状中的可用场(即，对于磁场随与电流的距离而变化的几何形状，然后具有较厚铜层将增加电流与使用该场的区域之间的距离)。

如果能够快速检测到失超并且快速激活转储系统，则可以减少所需的铜量。但是，过度敏感的检测系统往往会产生错误的触发，导致磁体不必要的关闭。因此重要的是获得具有最小噪声的尽可能最快的失超检测。