洞見 - 電磁學 - # 歐洲示範反應堆非絕緣主磁線圈的數值分析

歐洲示範反應堆非絕緣主磁線圈的數值分析

Q: 如何進一步降低主磁線圈在完全內部耗散情況下的最高溫度?

為了進一步降低主磁線圈在完全內部耗散情況下的最高溫度（Tmax），可以考慮以下幾個策略： 擴大接觸面積：通過增加轉圈之間的接觸面積，可以降低接觸電阻（RT），從而減少在超導線圈內部的熱量積聚。這可以通過設計更為寬廣的接觸橋來實現，從而使熱量能夠更有效地散發。 引入層間橋接：除了轉圈之間的接觸，還可以考慮在層與層之間引入橋接（RL），這樣可以縮短熱量在繞組內部的傳播路徑，進一步降低Tmax。這種設計可以促進熱量的快速擴散，減少局部過熱的風險。 優化冷卻系統：改進冷卻系統的設計，增加冷卻劑的流量或改變冷卻劑的類型，以提高冷卻效率。這樣可以在超導線圈發生淬火時，迅速降低其溫度，防止達到危險的高溫。 材料選擇：選擇具有更高熱導率的材料作為繞組的結構支持，這樣可以促進熱量的傳導，減少熱量在某一點的積聚，從而降低最高溫度。 模擬與實驗：利用數值模擬工具（如MATLAB代碼）進行不同設計方案的模擬，評估其對Tmax的影響，並根據模擬結果進行設計優化。

Q: 部分絕緣線圈在實際運行中可能會遇到哪些挑戰和安全隱患?

部分絕緣線圈在實際運行中可能會面臨以下挑戰和安全隱患： 電壓升高：在淬火過程中，部分絕緣設計可能導致線圈端部出現高達1-30 kV的電壓，這可能引發電弧或其他電氣故障，對設備和操作人員造成潛在危險。 熱穩定性問題：雖然部分絕緣技術可以提高熱穩定性，但在實際運行中，熱量的重新分佈和局部過熱仍然是主要問題。這可能導致某些區域的溫度超過安全範圍，進而影響超導材料的性能。 機械強度不足：部分絕緣材料的機械強度可能不如全絕緣材料，這可能導致在高電流或高磁場環境下的結構失效，進而影響整個磁場系統的穩定性。 輻射損傷：隨著下一代機器（如DEMO和FCC-hh）運行在更高的輻射劑量下，部分絕緣材料的輻射抗性可能成為一個問題，這可能導致材料性能下降，影響線圈的長期運行。 維護和操作挑戰：由於部分絕緣設計的複雜性，維護和操作過程中可能需要更高的技術要求，這可能增加操作風險和維護成本。

Q: 非絕緣和部分絕緣技術在其他類型的大型超導磁鐵中是否也可以應用,會產生什麼影響?

非絕緣和部分絕緣技術在其他類型的大型超導磁鐵中是可以應用的，並可能產生以下影響： 提高熱穩定性：這些技術可以提高大型超導磁鐵的熱穩定性，減少淬火事件的風險，從而提高系統的安全性和可靠性。 降低電壓風險：通過減少絕緣材料的使用，非絕緣和部分絕緣技術可以降低在淬火過程中出現的高電壓風險，從而減少電弧和故障的可能性。 簡化設計：這些技術可以簡化超導磁鐵的設計，減少絕緣材料的需求，從而降低製造和維護成本。 提升性能：在某些情況下，這些技術可以提高超導磁鐵的性能，特別是在高電流和高磁場的應用中，因為它們能夠更好地管理熱量和電流分佈。 挑戰與風險：儘管有潛在的好處，但在實際應用中，這些技術也可能面臨與熱管理、機械強度和輻射抗性相關的挑戰，這需要在設計和運行中仔細考慮。 總之，非絕緣和部分絕緣技術在大型超導磁鐵中的應用具有潛在的優勢，但也需要針對其挑戰進行深入研究和實驗驗證。

核心概念

本研究提出了一種新的有效三維原始數值模型,用於快速模擬歐洲示範反應堆主磁線圈的充放電和石英過程,將電氣和熱力學物理耦合在同一求解器中。

摘要

本研究探討了大型超導磁鐵中內部能量耗散的問題,特別關注歐洲示範反應堆主磁線圈。首先進行了解析和LTSpice模擬,結果顯示限制很大。因此開發了一個原創的數值模型,進行耦合的電熱模擬。

該模型用於模擬部分絕緣線圈的石英演化。參數研究表明,僅考慮局部化的金屬接觸電阻時,完全內部耗散會導致非常高的最高溫度(約450 K),而線圈電壓保持很低(10-80 V)且熱點電流減少近50%。高最高溫度可通過擴大接觸區域以及引入層間接觸電阻來緩解,這是未來設計工作的展望。

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統計資料

能量密度(J/kg)為40,000時,最高溫度可達230-270 K。
能量密度(J/kg)為22,000時,最高溫度可達130-170 K。
能量密度(J/kg)為10,000時,最高溫度可達約100 K。
能量密度(J/kg)為5,000時,最高溫度可達約70 K。

引述

"非絕緣(NI)和部分絕緣(PI)技術的目標是緩解甚至消除這些問題,通過在線圈匝/層之間引入接觸電阻,最終依靠完全被動的保護。"
"即使I=66 kA在任何模擬中都沒有被提取(在引燃石英後一直保持在那裡),熱點(第一匝)的電流也會在約2秒內減少約50%,而所有其他鄰近匝都會以小的過電流參與其中。"

從以下內容提煉的關鍵洞見

Numerical analysis of non-insulated DEMO TF coils

by M. Ortino, N... 於 arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.19630.pdf

Numerical analysis of non-insulated DEMO TF coils

深入探究

如何進一步降低主磁線圈在完全內部耗散情況下的最高溫度?

為了進一步降低主磁線圈在完全內部耗散情況下的最高溫度（Tmax），可以考慮以下幾個策略：

擴大接觸面積：通過增加轉圈之間的接觸面積，可以降低接觸電阻（RT），從而減少在超導線圈內部的熱量積聚。這可以通過設計更為寬廣的接觸橋來實現，從而使熱量能夠更有效地散發。

引入層間橋接：除了轉圈之間的接觸，還可以考慮在層與層之間引入橋接（RL），這樣可以縮短熱量在繞組內部的傳播路徑，進一步降低Tmax。這種設計可以促進熱量的快速擴散，減少局部過熱的風險。

優化冷卻系統：改進冷卻系統的設計，增加冷卻劑的流量或改變冷卻劑的類型，以提高冷卻效率。這樣可以在超導線圈發生淬火時，迅速降低其溫度，防止達到危險的高溫。

材料選擇：選擇具有更高熱導率的材料作為繞組的結構支持，這樣可以促進熱量的傳導，減少熱量在某一點的積聚，從而降低最高溫度。

模擬與實驗：利用數值模擬工具（如MATLAB代碼）進行不同設計方案的模擬，評估其對Tmax的影響，並根據模擬結果進行設計優化。

部分絕緣線圈在實際運行中可能會遇到哪些挑戰和安全隱患?

部分絕緣線圈在實際運行中可能會面臨以下挑戰和安全隱患：

電壓升高：在淬火過程中，部分絕緣設計可能導致線圈端部出現高達1-30 kV的電壓，這可能引發電弧或其他電氣故障，對設備和操作人員造成潛在危險。

熱穩定性問題：雖然部分絕緣技術可以提高熱穩定性，但在實際運行中，熱量的重新分佈和局部過熱仍然是主要問題。這可能導致某些區域的溫度超過安全範圍，進而影響超導材料的性能。

機械強度不足：部分絕緣材料的機械強度可能不如全絕緣材料，這可能導致在高電流或高磁場環境下的結構失效，進而影響整個磁場系統的穩定性。

輻射損傷：隨著下一代機器（如DEMO和FCC-hh）運行在更高的輻射劑量下，部分絕緣材料的輻射抗性可能成為一個問題，這可能導致材料性能下降，影響線圈的長期運行。

維護和操作挑戰：由於部分絕緣設計的複雜性，維護和操作過程中可能需要更高的技術要求，這可能增加操作風險和維護成本。

非絕緣和部分絕緣技術在其他類型的大型超導磁鐵中是否也可以應用,會產生什麼影響?

非絕緣和部分絕緣技術在其他類型的大型超導磁鐵中是可以應用的，並可能產生以下影響：

提高熱穩定性：這些技術可以提高大型超導磁鐵的熱穩定性，減少淬火事件的風險，從而提高系統的安全性和可靠性。

降低電壓風險：通過減少絕緣材料的使用，非絕緣和部分絕緣技術可以降低在淬火過程中出現的高電壓風險，從而減少電弧和故障的可能性。

簡化設計：這些技術可以簡化超導磁鐵的設計，減少絕緣材料的需求，從而降低製造和維護成本。

提升性能：在某些情況下，這些技術可以提高超導磁鐵的性能，特別是在高電流和高磁場的應用中，因為它們能夠更好地管理熱量和電流分佈。

挑戰與風險：儘管有潛在的好處，但在實際應用中，這些技術也可能面臨與熱管理、機械強度和輻射抗性相關的挑戰，這需要在設計和運行中仔細考慮。

總之，非絕緣和部分絕緣技術在大型超導磁鐵中的應用具有潛在的優勢，但也需要針對其挑戰進行深入研究和實驗驗證。