高温超导

目的 磁约束可控核聚变方案被视为未来解决全球能源问题的重要途径，作为磁约束聚变装置的核心元件，磁体在产生和维持等离子体稳定状态中起着关键作用。为此，对国内外典型磁约束可控聚变装置的磁体结构和规格进行了综述。 方法 回顾了聚变磁体从铜基到低温超导乃至高温超导的技术演变，系统归纳了各类典型聚变装置的磁体系统结构及其性能参数。同时，探讨了当前磁体研发过程中面临的技术挑战，并对未来发展进行了展望。 结论 磁体技术的进步对于提升聚变装置性能和加速实现聚变能源的商业化至关重要。随着高温超导材料的应用和新型磁体设计的不断优化，聚变能源的实用化正逐步向现实迈进。

高温超导（High-Temperature Superconducting，HTS）电缆是前沿尖端技术，在全球范围内处于挂网示范，少量商业应用的阶段。HTS电缆的绝缘结构在整个 HTS 电缆中占有重要地位，为超导电缆的安全运行提供了保障。液氮浸渍聚丙烯层压纸（polypropylene laminated paper, PPLP）是一种广泛应用于高温超导电缆的绝缘结构，PPLP绝缘材料长期服役于高场强环境下，其化学组成和结构会发生一系列的变化导致绝缘性能下降。因此，研发PPLP绝缘劣化的机理及无损检测方法，对于提高高温超导电缆的绝缘可靠性、进而对保证电力电缆系统的安全可靠运行具有重要意义。

阐述了国内外超导电缆工程最新概况，详细介绍了超导电缆关键技术，重点分享了位于上海市的世界首条35kV公里级超导电缆示范工程的建设及运行情况，并针对超导电缆未来应用进行了展望。

目的 高温超导磁体系统的应用是未来托卡马克装置的重要技术路线，然而高温超导带材的磁场各向异性以及复杂的导体结构极大地增加了聚变装置高温超导磁体系统电磁设计阶段仿真模拟的复杂度，因此需要针对其电磁仿真以及简化方法开展相应研究。 方法 通过有限元仿真软件COMSOL建立高温超导磁体系统总体电磁仿真模型与各种简化模型，对其相关电磁性能进行了仿真分析与对比。 结果 等离子体区域中心磁场与最大波纹度的计算结果主要受纵场(toroidal field，TF)线圈产生的磁场控制，而TF线圈对中心螺线管(central solenoid，CS)线圈上的磁场分布影响很小。当结合导体的详细结构并考虑高温超导带材的磁场各向异性时，垂直磁场的计算结果与总体模型相比具有较大差异。 结论 在等离子体区域内的相关电磁参数的计算上可以仅考虑TF线圈，而在分析CS线圈上磁场时可忽略TF线圈。此外，通过结合导体结构的平均电流分布，可以有效降低高温超导带材垂直磁场的仿真计算误差。

本发明提出了一种高温超导单元交流损耗补偿测量装置，通过对补偿线圈中初、次级线圈的位置进行调节和采用高精度数字采集及处理，实现对超导单元在交变电流或变化磁场下交流损耗的实时准确测量。主要针对高温超导单元在交变电流或变化磁场下的交流损耗测量，适合各种不同的高温超导带材（一代高温超导材料 BSCCO，二代高温超导涂层导体 YBCO 和二硼化镁 MgB2 等），以及不同种类的超导电力装备（如超导电缆、超导磁体、超导限流器等）交流损耗的测量。 实施中，超导单元与补偿线圈的初级线圈串联在同一回路中，连接千安级交流电源；利用高精度数据采集仪在同一时钟下，同时采集三路电信号数据，包括：超导单元两端电压 Vs，次级线圈的电压 Vc 以及回路电流 I；补偿线圈的初级线圈采用具有高载流能力的单匝线圈结构，并设计有防涡流结构；超导单元的电流先通过罗科夫斯基线圈，然后经过数据转接线连接到数据采集卡上，保证了三路数据采集在同一时钟下同步输入；采用补偿线圈电机驱动定位系统，调节补偿线圈的位置，最后利用交流损耗补偿算法实时对超导单元电压进行自动补偿，实现超导单元交流损耗的快速准确测量。该交流损耗补偿测量算法包括以下步骤：(1) 调整初级线圈和次级线圈的位置，确定该位置下，初级线圈与所述次级线圈的互感 M；(2) 确定超导单元的端电压 Vs 和次级线圈的补偿电压 Vc；(3)判断端电压 Vs 与补偿电压 Vc 之差的相位与回路电流 I的相位是否相同；若相同则继续步骤(4)，若不同则返回步骤(1)；(4) 将 Vs-Vc 与 I 积分，计算输出交流损耗值。

2月22日，35千伏春漕超导3E346的设备主人通过高温超导电缆监测平台开展巡视，温度、振动等信号均未报警，超导电缆运行一切正常。截至这天，世界首条35千伏公里级超导电缆已在上海平稳运行了整整两个月，总计输送电能4618.6万千瓦时。

目的 高场超导磁体在诸多领域都有着很大的应用价值，但第二代高温超导磁体由于焊接技术尚不成熟，无法实现持续电流模式运行。稀土钡铜氧化物(rare earth barium copper oxide，REBCO)闭环超导葫芦形环片堆叠磁体可实现无阻闭环运行，经验证有磁通密度放大和磁通累加的功能，具有高磁场输出的潜质。因此，研究该磁体在大电流、高磁场运行环境下能否维持稳定很有必要。 方法 通过建立REBCO闭环超导葫芦形环片堆叠磁体的三维有限元模型，分析其在场冷励磁方法下的电磁响应和应力应变分布情况。 结果 堆叠磁体的单位体积电磁力由圆环的内径向外径逐渐减小，两端层数最大单位体积电磁力较高，而中间层数较低，呈现出“U”型分布特征。此外，应力较大的区域出现在磁体的连接桥部位及圆环与桥的连接部分，此区域易发生形变，是潜在的失超风险区域。 结论 磁体的应力应变分布特征分析，对改进葫芦形双孔闭环超导片的几何形状和堆叠磁体的结构具有参考价值，对磁体的安全运行具有重要意义。

该工程将建设全球容量最大的5MVA/10MJ超导磁储能装置，将高精尖产业的供电稳定性推向“毫秒级”时代，标志着我国在新型电力系统建设领域取得重大突破。中山市相关部门及参建单位代表共同出席启动仪式。

近日，由国网江苏省电力有限公司联合苏州市吴江区人民政府、江苏永鼎股份有限公司联合出资，由国网苏州供电公司以及东部超导科技（苏州）有限公司负责落地实施的高温超导直流电缆示范工程的国内首条±375V/4500A百米级正负极同轴冷绝缘高温超导直流电缆，顺利通过了权威第三方检测机构型式试验，这标志着全国首个“冷绝缘高温超导直流电缆示范项目”迈出了关键性的一步，具有里程碑的意义。