[論文レビュー] Quench limits in the next generation of magnets

E. Todesco|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Superconducting Materials and Applications参考文献 1被引用数 31

ひとこと要約

本論文は、10–15 Tに達することができるNb3Sn導体を用いた次世代超電導磁石におけるクエンチ保護の課題を調査している。外部エネルギー消費装置を備えた独立型短い磁石と、クエンチヒーターに依存する長い磁石チェーンの2つの構成を分析し、高電流密度および高エネルギー密度が特有のリスクをもたらし、クエンチの拡大と導体損傷を防ぐために、個別に最適化された保護戦略が不可欠であることを示している。

ABSTRACT

Several projects around the planet aim at building a new generation of superconducting magnets for particle accelerators, relying on Nb3Sn conductor, with peak fields in the range of 10-15 T. In this paper we give an overview of the main challenges for protecting this new generation of magnets. The cases of isolated short magnets, in which the energy can be extracted on an external dump resistor, and chain of long magnets, which have to absorb their stored energy and have to rely on quench heaters, are discussed. We show that this new generation of magnets can pose special challenges, related to both the large current density and to the energy densities.

研究の動機と目的

• 次世代超電導磁石におけるクエンチ保護の課題の増大に対処すること。
• 外部エネルギー消費装置を備えた独立型短い磁石と、内部クエンチヒーターに依存する長い磁石チェーンの2つの磁石構成の実現可能性と安全性を評価すること。
• 高電流密度および高エネルギー密度がクエンチの拡大とシステム安定性に与える影響を分析すること。
• 10–15 Tで動作する高磁場磁石におけるクエンチ保護の設計指針を提供すること。
• 将来の粒子加速器、例えばHL-LHCや次世代コライダーのための安全で信頼性の高い磁石システムの開発を支援すること。

提案手法

• 高電流および高エネルギー密度条件下におけるNb3Sn磁石のクエンチ挙動のモデリング。
• 外部ダンプ抵抗器を用いて、貯蔵エネルギーを安全に放出する独立型短い磁石におけるエネルギー散逸の分析。
• クエンチヒーターを活用してクエンチの拡大を誘発および管理する長く連結された磁石におけるエネルギー吸収の評価。
• 解析的手法およびシミュレーションを用いて、クエンチ発生時の熱的および電気的ダイナミクスを評価すること。
• 異なる磁石構成におけるクエンチの進行速度およびエネルギーの堆積速度を比較すること。
• CERNのHL-LHCなど既存の加速器プロジェクトからの設計制約を活用して、保護戦略を策定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nb3Sn磁石における高電流密度および高エネルギー密度が、クエンチの拡大と保護要件に与える影響は何か？
• RQ2 外部ダンプを備えた独立型短い磁石と、内部ヒーターに依存する長い磁石チェーンの間で、クエンチ保護にどのような主な差異が生じるか？
• RQ3 長く連結された磁石システムにおけるクエンチヒーターの熱的および電気的限界は何か？
• RQ4 Nb3Sn磁石の貯蔵エネルギー密度が、クエンチ発生時の導体損傷リスクにどのように影響するか？
• RQ5 次世代の高磁場磁石において、信頼性の高いクエンチ保護を確保するために必要な設計上の変更は何か？

主な発見

• Nb3Sn磁石における高電流密度は、熱的不安定性により局所的クエンチ発生のリスクを高める。
• 次世代磁石におけるエネルギー密度は、従来のNb3Ti系よりも顕著に上回っており、より強固な保護メカニズムが求められる。
• 独立型短い磁石は外部ダンプ抵抗器を介して貯蔵エネルギーを安全に散逸可能であるが、高速かつ信頼性の高いスイッチギアの導入が不可欠である。
• 長い磁石チェーンでは、クエンチヒーターに依存してクエンチの拡大を誘発および管理する必要があるが、タイミングと均一性の面で課題が生じる。
• クエンチヒーターの有効性は、熱拡散の制限および正確な作動タイミングの必要性により制限され、ヒートスポットの発生を防ぐために重要である。
• 本論文は、標準的なクエンチ保護戦略では次世代磁石には不十分であると結論づけ、新たな設計および制御アプローチの導入が不可欠であるとしている。