[论文解读] The SPARC Toroidal Field Model Coil Program

Zachary Hartwig, R. Vieira+98 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2023

Superconducting Materials and ApplicationsEngineering被引用 3

一句话总结

本文展示了在SPARC聚变能计划中，成功设计、制造并测试了使用稀土钡铜氧化物（REBCO）超导体技术的高场（20.1 T）、大尺寸（3 m）环形场线圈。该项目展示了成熟的、可扩展的REBCO磁体性能，包括40.5 kA的端部电流、815 kN/m的洛伦兹载荷、1 GPa的机械应力耐受能力，以及15个低电阻（0.5–2.0 nΩ）接头，验证了未来紧凑托卡马克装置所需的关键聚变相关技术。

ABSTRACT

The SPARC Toroidal Field Model Coil (TFMC) Program was a three-year effort between 2018 and 2021 that developed novel Rare Earth Yttrium Barium Copper Oxide (REBCO) superconductor technologies and then successfully utilized these technologies to design, build, and test a first-in-class, high-field (~20 T), representative-scale (~3 m) superconducting toroidal field coil. With the principal objective of demonstrating mature, large-scale, REBCO magnets, the project was executed jointly by the MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) and Commonwealth Fusion Systems (CFS). The TFMC achieved its programmatic goal of experimentally demonstrating a large-scale high-field REBCO magnet, achieving 20.1 T peak field-on-conductor with 40.5 kA of terminal current, 815 kN/m of Lorentz loading on the REBCO stacks, and almost 1 GPa of mechanical stress accommodated by the structural case. Fifteen internal demountable pancake-to-pancake joints operated in the 0.5 to 2.0 nOhm range at 20 K and in magnetic fields up to 12 T. The DC and AC electromagnetic performance of the magnet, predicted by new advances in high-fidelity computational models, was confirmed in two test campaigns while the massively parallel, single-pass, pressure-vessel style coolant scheme capable of large heat removal was validated. The REBCO current lead and feeder system was experimentally qualified up to 50 kA, and the crycooler based cryogenic system provided 600 W of cooling power at 20 K with mass flow rates up to 70 g/s at a maximum design pressure of 20 bar-a for the test campaigns. Finally, the feasibility of using passive, self-protection against a quench in a fusion-scale NI TF coil was experimentally assessed with an intentional open-circuit quench at 31.5 kA terminal current.

研究动机与目标

• 展示适用于聚变能应用的成熟、大规模REBCO超导体技术。
• 设计并制造一个直径3 m、高场（约20 T）的代表性尺寸环形场线圈，采用REBCO带材。
• 在聚变相关条件下，验证电磁、机械和低温性能。
• 通过被动自保护机制，在聚变规模的非绝缘线圈中实现失超保护。
• 将REBCO电流引线和馈电系统定位于50 kA，并验证一种高效散热冷却方案。

提出的方法

• 开发并集成专为高电流密度和机械鲁棒性优化的新型REBCO超导体技术。
• 设计并制造一个直径3 m、15层螺旋式绕制的环形场线圈，采用带有结构外壳和内部接头的REBCO带材。
• 实施单通道、压力容器式冷却方案，以实现高散热能力。
• 利用高保真度计算模型预测并验证直流和交流电磁性能。
• 集成基于低温冷却器的系统，可在20 K下提供600 W冷却能力，质量流量高达70 g/s，压力达20 bar-a。
• 通过实验对REBCO电流引线和馈电系统进行资质认证，最高达50 kA，并通过故意开路失超试验评估被动失超保护性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 大规模、高场REBCO环形场线圈是否能在20.1 T磁场下以40.5 kA端部电流稳定运行，承受聚变相关的机械和电磁载荷？
• RQ2 单通道、压力容器式冷却方案是否能有效移除大型REBCO磁体系统中的高热负荷？
• RQ3 在高磁场和20 K运行条件下，内部可拆卸的螺旋式线圈-线圈接头的电性能和可靠性如何？
• RQ4 被动自保护机制是否能有效限制聚变规模非绝缘REBCO环形场线圈中的失超损伤？
• RQ5 在高场、高应力的聚变环境中，REBCO电流引线和馈电系统在50 kA运行下的资质认证程度如何？

主要发现

• TFMC在40.5 kA端部电流下实现了导体上的峰值磁场20.1 T，超过约20 T的目标。
• 线圈承受了815 kN/m的洛伦兹载荷，并在结构外壳中容纳了接近1 GPa的机械应力。
• 十五个内部螺旋式线圈-线圈接头在20 K下电阻介于0.5至2.0 nΩ之间，最高磁场达12 T。
• 高保真度电磁模型准确预测了直流和交流性能，并在两次测试活动中得到验证。
• 单通道、压力容器式冷却方案成功移除了高热负荷，验证了其在聚变反应堆中的可扩展性。
• REBCO电流引线和馈电系统已通过实验资质认证，最高达50 kA；低温冷却器系统在20 K下提供600 W冷却能力，质量流量70 g/s，压力20 bar-a。