高温超导强场磁体的失超机理、探测技术与保护方法研究

需求的背景和应用场景

随着全球能源需求的持续增长和环境保护意识的增强，核聚变能作为一种清洁、高效且几乎不产生污染物的能源形式，其研发与应用受到了广泛关注。高温超导强场磁体作为聚变堆中的核心部件，承担着产生并维持强大磁场以约束等离子体、实现核聚变反应的重要任务。然而，高温超导磁体在运行过程中，由于各种内外因素（如电流密度过高、温度变化、机械应力等）的影响，存在发生失超（即超导状态丧失，电阻急剧增加，产生大量热量）的风险。失超不仅会导致磁体性能下降，严重时甚至可能引发磁体损坏、聚变反应失控等安全事故，对聚变堆的稳定运行构成重大威胁。 因此，针对未来聚变堆磁体的典型运行工况，深入研究高温超导磁体的失超机理、探测技术与保护方法，对于确保磁体的安全稳定运行、推动核聚变能技术的商业化进程具有重要意义。

要解决的关键技术问题

1. 电磁耦合失超传播机制：需明确磁体系统中电磁场与热、力场的相互作用机制，特别是失超信号在磁体中的传播路径和速度，以及其对磁体整体热、力稳定性的影响，为后续的失超探测与保护提供理论基础。
2. 多场耦合损伤过程：揭示磁体在热、力失稳条件下，如何通过多物理场的相互作用（如热应力、电磁力等）逐渐发展至材料失效的过程，包括损伤机制的识别、损伤演化的模拟与预测，为磁体设计与材料选择提供依据。
3. 快速失超探测与状态评估：建立一种综合多物理场信号（如温度、电压、电流、应力等）的快速失超探测方法，结合先进的信号处理技术，实现对磁体状态的实时、准确评估，为及时采取保护措施提供决策支持。
4. 电磁-热-力协同保护策略：构建一套电磁-热-力多物理场协同的磁体保护策略，通过励磁调控、释能路径优化、结构加强等措施，结合多路径监测系统的搭建，实现多机制保护融合的冗余设计，确保在失超发生时能够迅速、有效地保护磁体免受损害。

效果要求

本项目旨在通过深入研究高温超导强场磁体的失超机理、探测技术与保护方法，为聚变堆磁体的安全稳定运行提供坚实的理论与技术支持。预期成果应满足以下效果要求：

• 创新性：提出新的失超机理理论模型，揭示多物理场耦合下的失超传播与损伤过程，为磁体保护领域提供新的研究视角和方法。
• 实用性：开发的失超探测技术应具有高灵敏度、高准确性，能够在复杂工况下快速识别失超信号，为磁体保护提供及时、可靠的决策依据。
• 可靠性：构建的磁体保护策略应综合考虑多种保护机制，实现多路径、多层次的冗余设计，确保在极端情况下仍能有效保护磁体安全。
• 竞争力：通过本项目的研究，提升我国在高温超导磁体技术与聚变能研发领域的国际竞争力，为推动核聚变能技术的商业化应用贡献力量。