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电流引线的安全性能不仅仅关系到自身,更关系到与其相连的储存着巨大能量的超导磁体的安全。ITER需要30对电流引线,最大额定电流为68 kA,总计电流约2.6 MA。不仅电流容量特大,对安全性的要求也特高,因此对电流引线失冷后影响其安全性能的因素进行研究十分必要。本文以研发ITER68 kA电流引线试验件为契机,针对安全性的两个重要指标:LOFA安全时间和burnout时间进行了研究。
从低温系统故障停止供冷开始到超导叠发生失超这段时间定义为LOFA时间。这段时间内超导叠并未发生失超,仍然承载着全部电流。影响LOFA时间长短的因素有换热器的电流密度、热沉大小和超导叠的性能。通过测试68 kA电流引线所用的90根超导叠液氮温度自场下的临界电流,并利用有限元分析高温超导段载流能力,与68 kA额定电流相比有足够的裕度。通过对变电流密度的翅片换热器失冷后的数值分析,验证这种结构是否可以满足ITER对TF68 kA电流引线长LOFA时间的要求。
Burnout时间是从超导叠失超开始到热点温度达到设定阈值。进入burnout时间,HTS已经失超,电流分流到高温超导带的基体材料和分流器中。burnout时间与分流器的材料属性以及结构有关。本文通过对采用不同分流器的68 kA引线1/90试验件的分析计算以及实验研究,证明二元分流器能够克服安全性和冷端漏热的矛盾,可以满足ITER的高安全性要求。为了避免加工制造二元分流器较为复杂的工艺,提出了改进型二元分流器的概念,并利用ANSYS有限元分析软件对其性能进行前期的模拟仿真分析。
本文最后简述了ITER68 kA电流引线的测试方案。通过分析LOFA实验数据,得到68 kA电流引线试验件的安全性能完全达到ITER的要求。