[论文解读] The superconducting proposal for the CS magnet system of FAST: a preliminary analysis of the heat load due to AC losses

Nicola Pompeo, L. Muzzi|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2011

Magnetic confinement fusion research参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文评估了在高场强、高斜率率H模运行场景下，FAST托卡马克超导中心螺线管（CS）的交流损耗，发现交流损耗——尤其是耦合损耗——导致显著的热负荷（在0.04秒内高达140千瓦），因此需要采用有效股径更小、热性能更优的先进电缆设计，以满足冷却要求。

ABSTRACT

FAST (Fusion Advanced Studies Torus), the Italian proposal of a Satellite Facility to ITER, is a compact tokamak (R$_0$ = 1.82 m, a = 0.64 m, triangularity $δ$ = 0.4) able to investigate non-linear dynamics effects of $α$-particle behavior in burning plasmas and to test technical solutions for the first wall/divertor directly relevant for ITER and DEMO. Currently, ENEA is investigating the feasibility of a superconducting solution for the magnet system. This paper focuses on the analysis of the CS (Central Solenoid) magnet thermal behavior. In particular, considering a superconducting solution for the CS which uses the room available in the resistive design and referring to one of the most severe scenario envisaged for FAST, the heat load of the CS winding pack due to AC losses is preliminarily evaluated. The results provide a tentative baseline for the definition of the strand requirements and conductor design, that can be accepted in order to fulfil the design requirements.

研究动机与目标

• 评估在严苛运行条件下，超导方案在FAST中心螺线管（CS）中的可行性。
• 评估在H模参考场景（高场强、高斜率率运行阶段）中，交流损耗引起的CS绕组包热负荷。
• 为满足热稳定性和冷却约束，提供股线与导体设计的基准要求。
• 识别关键热裕量，并指导未来热液压设计优化。
• 确定现有电阻性设计的体积约束是否与可行的超导CS方案兼容。

提出的方法

• 使用Opera-3D进行三维电磁分析，计算CS1U/CS1L模块中时间与位置相关的磁场（Bz、Br、Bφ）分布。
• 将饼状绕组包建模为承受单向横向磁场（Bz），假设每匝中径处磁场均匀。
• 采用动态模型计算Nb3Sn电缆中的交流损耗，包括耦合损耗与磁滞损耗，重点关注预饱和与饱和状态。
• 使用改进的功率损耗模型，结合有效股径（deff）、正常态电阻率（ρ）和时间常数（nτ），估算能量耗散。
• 通过比较交流损耗功率与液氦冷却能力（额定工况下为4.7 kJ/K），计算总耗散能量与温升。
• 通过对比不同情景，评估关键参数（deff为10 μm，nτ为10 ms，D_eff）对损耗的影响，以评估设计改进效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在最严苛的H模参考场景下，FAST超导中心螺线管的交流损耗量级如何？
• RQ2 在快速磁场上升与下降阶段，耦合损耗与磁滞损耗相比如何？
• RQ3 峰值交流损耗功率（尤其在0.04秒的下降阶段）对CS绕组包的热影响是什么？
• RQ4 电缆设计改进（如减小deff、降低nτ）能在多大程度上减少交流损耗并提升热稳定性？
• RQ5 在不引入过大热裕量的前提下，现有电阻性设计的体积约束是否能容纳可行的超导CS方案？

主要发现

• 在初始0.04秒的下降阶段，CS绕组包的交流损耗热负荷峰值达到140千瓦，主要由耦合损耗引起。
• 在平顶阶段，平均交流损耗功率约为194瓦，冷却能力估计为19瓦/开尔文，表明热裕量非常紧张。
• 在初始下降阶段，总耗散能量为5.6千焦耳，若不进行设计改进，预测温升约为1开尔文。
• 将有效股径（deff）降低至10微米、时间常数（nτ）降低至10毫秒，可使初始阶段耗散能量降至1千焦耳，对应更可持续的约0.2开尔文温升。
• 模型显示，耦合损耗占主导地位，尤其在第7匝附近，因从饱和到非饱和状态的过渡而出现尖锐峰值。
• 若缺乏改进的电缆模型与准确的D_eff估算，当前近似方法会高估损耗，特别是在非饱和状态下，从而限制设计信心。