保护高性能超导磁体

伯克利实验室加速器技术与应用物理(ATAP)部门的研究人员开发了一种方法，用于检测和预测能够产生高磁场的大型磁体中超导性的局部损失。这些高场磁体是科学研究、医学和能源等许多领域的核心支持技术，它们被用于一系列应用，包括用于高能和核物理、诊断和治疗医学的粒子加速器和对撞机设备，以及能源生产、传输和存储技术。

高场磁铁也有望成为磁约束聚变反应堆的一项使能技术，该反应堆旨在通过融合两种氢同位素(氘和氚)产生无碳能源来复制为太阳提供动力的过程。它们用于限制氘和氚的等离子体，以便发生聚变。

ATAP超导磁体项目的研究科学家ReedTeyber说，要充分发挥这些反应堆的潜力，“需要能够在聚变反应堆苛刻的动态条件下安全可靠地产生大磁场的高性能超导磁体”。开发用于监测低温和高温超导磁体性能的诊断工具。这项工作发表在《科学报告》杂志上。

然而，超导电缆可能会经历突然且不可预测的超导性损失(一种称为淬火的现象)，这种现象会产生足以破坏磁铁的高温，造成数百万美元的损失。

“虽然对于较旧的低温超导磁体来说，淬火是固有的，但在高温超导磁体中必须完全避免淬火，以确保其可靠和安全运行，”里德解释道。“因此，检测失超并防止其损坏磁体是寻求为紧凑型聚变反应堆开发超导磁体的研究人员关注的焦点。”

稀土氧化钡铜(ReBCO)是一种很有前途的材料，可用于制造聚变反应堆中使用的超导磁体。用于承载超导磁体电流的电缆的ReBCO胶带具有高临界温度(使其成为所谓的高温超导体)、高临界场和形成可拆卸磁体的潜力——这是一个重要特性这改善了维护访问，简化了材料组件测试，并允许模块化以适应未来的反应堆设计。

超导磁体在高能物理对撞机等应用中很常见，因此在铌钛或铌锡等低温超导磁体中存在失超保护方法。这些方法使用电压或温度测量来触发能量提取过程。然而，里德说，聚变反应堆所需的高温超导磁体(如使用ReBCO的磁体)的失超检测更具挑战性，需要新方法。

ReedTeyber致力于高温超导CORC电缆。图片来源：伯克利实验室/CarlA.Williams

这些极其强大的磁铁能够产生超过20特斯拉的磁场，其特点是与加速器磁铁相比，失超发展的初始速度要慢得多，因此很难使用基于电压或温度的技术检测失超。

为了解决这个问题，Reed正在与ATAP的同事合作开发一种方法，该方法采用霍尔探头阵列(用于测量载流导体置于磁场中时产生的磁场的设备)来测量ReBCOCORC电缆周围产生的磁场。这些电缆由许多由ReBCO带制成的“圆芯导体”电线组成，以达到所需的电流容量。

从这些测量中重建的单个导体的电流分布提供了对磁体操作详细动态的洞察，允许提取预测模型的参数。

Reed指出，尽管它显示出作为一种强大的淬火检测和预防技术的前景，但它目前有许多局限性。“例如，它仅适用于没有电缆间电流共享和中等长度电缆的特定磁体技术。”

然而，他补充说，事实证明，由ReBCO电缆缠绕的可拆卸环形励磁线圈满足这些要求。环形磁场线圈是领先的超导磁体技术，可产生容纳等离子体所需的巨大磁场，以确保聚变反应的发生。

“我们现在正在研究如何使用我们的技术来解决这些线圈中的失超检测问题。”

里德说，这项工作不仅可以“改变游戏规则”，不仅适用于核聚变反应堆实验中使用的超导磁体，而且适用于高能物理中的粒子加速器、磁能存储技术、医学以及各种动力设备，例如电动机、发电机和传输线。

ATAP超导磁体项目副项目负责人PaoloFerracin表示：“Reed构想的这项创新技术有可能成为解决高温超导电缆失超保护的关键因素，这是科学界的一个基本问题。致力于下一代超导磁体的社区。”

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