A study on nuclear heat load tolerable for NET/TF coils cooled by internal flow of helium II [report]

A. Hofmann
1988
NbTi cables cooled by internal flow of superfluid helium are considered an option for the design of NET/TF coils with about 11 T peak fields. Starting from an available winding cross section of 0.61 x 0.61 m2 for a 8 MA turns coil made of a 16 kA conductor it is shown that sufficient hydraulic cross section can be provided within such cables to remove the expected thermal load resulting from nuclear heating with exponential decay from inboard to outboard side ofthe winding. The concept is a
more » ... ake type coil with 1.8 K helium fed-in in the high field region of each pancake. The temperature distribution within such coils is calculated, and the local safety margin is determined from temperature and field. The calculation takes account of nuclear and a.c. heating, and ofthermal conductance between the individual layers and the coil casing. It is shown that operation with 1.8 K inlet and about 3 K outlet temperature is possible. The electrical insulation with about 0.5 mm thickness proves to provide sufficient thermal insulation. No additional thermal shield is required between the coil casing and the winding package. Two different types of conductors are being considered: a) POLO type cable with quadratic cross section and a central circular coolant duct, and b) an LCT type cable with two conductors wound in hand. Both concepts with about 500 m length of the coolant channels are shown to meet the requirements resulting from a peak nuclear heat load of 0.3 m W/cm3 in the inboard turns. The hydraulic diameters are sufficient to operate each coils with self-sustained fountain effect pumps. Even appreciably higher heat loads with up to 3 mW/cm3 of nuclear heating can be tolerated for the POLO type cable when the hydraulic diameter is enlarged to its maximum of 17 mm. Studie zu Grenzwerten der nuklearen Wärmelast in NET-TF-Spulen mit interner Helium-li-Kühlung Zusammenfassung Es wird als aussichtssreich erachtet, NET/TF-Spulen mit etwa 11 T Maximalfeld aus NbTi-Leitern mit innerer Kühlung durch superfluides Helium aufzubauen. Ausgehend von dem verfügbaren Wicklungsquerschnitt von 0,61 x 0,61 m2 einer Spule mit 8 MA-Windungen wird gezeigt, daß bei einem 16 kA-Leiter ein hinreichend großer hydraulischer Querschnitt zur Verfügung gestellt werden kann, um die Wärmelast, die vor allem aus der Neutronenabsorption mit exponentiellem Abfall von innen und außen herrührt, abzuführen. Das Konzept ist eine aus Scheiben aufgebaute Spule mit 1,8 K-Heliumeinspeisung im Hochfeldbereich. Die Rechnungen berücksichtigen nukleare Erwärmung, Wechselstromverluste und thermische Kopplungen zwischen den einzelnen Lagen und dem Gehäuse. Es wird gezeigt, daß ein Betrieb mit 1,8 K Eintritts-und etwa 3 K Austrittstemperaturzulässig ist. Die elektrische Isolation aus 0,5 mm Kaptonschichten erweist sich auch als ausreichend zur thermischen Entkopplung. Zwischen Gehäuse und Wicklung wird kein zusätzlicher Wärmeschirm benötigt. Zwei unterschiedliche Leitertypen werden betrachtet: a) ein Kabel vom Typ des POLO-Leiters mit quadratischem Querschnitt und zentralem kreisförmigen Kühlkanal und b) ein Leiter vom Typ des LCT-Kabelsmit zwei parallel gewickelten Leitern. Für beide Konzepte wird gezeigt, daß bei 500 m Kühlkanallänge die Anforderungen, die aus einer nuklearen Belastung mit 0,3 mW/cm3 an der inneren Lage resultieren, erfüllt werden können. Die Strömnungsquerschnitte reichen aus, um solche Spulen mit sogenannten selbsterregten thermomechanischen Pumpen zu betreiben. Auch beträchtlich höhere Wärmelasten, bis zu 3 mW/cm3 bei einem Kabel vom POLO-Typ mit maximal möglichem Kühlkanaldurchmesser von 17 mm, können bewältigt werden. s = (1 + s)JeN-1 > 0. The normalized cri tical curren t densi ty JeN =J (B, T)IJ (B, T) c c 0 0
doi:10.5445/ir/270025923 fatcat:nhwgoqz73fazfh2wjiox37lpau