Superconducting material enables fusion reactor magnet concepts to operate with current densities that would melt materials with non-zero resistance. The application of superconducting material is considered essential for net-positive power machines. Catastrophic damage can occur when superconductivity is lost and the current generates heat. This scenario is called a quench. Stabilizer material carries the magnet current (typically copper) during a quench and is the focus of this work. Irradiation-induced defects store energy in the Cu crystalline lattice. The presence of defects reduces thermal conductivity (thermally insulating the superconductor), electrical conductivity (increasing temperature ramp rate during a quench), and specific heat capacity (increasing thermodynamic instability). The release of stored energy in the magnet materials, in combination with the magnet material property changes, has the potential to cause extreme off-normal events in superconducting magnets that worsen with fluence. Stored energy can be released causing local heating and increasing the risk of a quench. For example, following irradiation at 4.6 K and a fluence of 0.45×1018 n cm−2, an energy release of 0.023 J g−1 was measured from Cu when increased in temperature from 10 K to 18 K, which would have been enough energy to create the same temperature increase spontaneously. Extrapolations of experimental data are used to estimate when spontaneous heating can occur due to the release of energy stored in irradiation-induced defects. Critical fluence values are estimated between 1.74×1018 n cm−2 and 2.85×1019 n cm−2 for neutron irradiation of Cu at a temperature of 20 K. In-situ cryogenic calorimetry experiments, operated at high-temperature-ramp rates on irradiated magnet materials, could offer certainty for fusion magnet system designers. Periodic annealing of defects through controlled temperature cycling will be essential in fusion power plants to manage the increasing risk of quench as the superconducting magnets accumulate dose. The ideal frequency and dynamics of these maintenance temperature cycles will be established with further experimental examination.
超伝導材料は、非ゼロ抵抗を持つ材料を溶融させるような電流密度で動作する核融合炉磁石の概念を可能にする。超伝導材料の適用は、正味出力が正の装置にとって不可欠であると考えられている。超伝導が失われ、電流が熱を発生すると、壊滅的な損傷が生じる可能性がある。このシナリオはクエンチと呼ばれる。安定化材料は、クエンチ中に磁石電流を担う（通常は銅）ものであり、本研究の焦点である。照射誘起欠陥は、銅結晶格子内にエネルギーを蓄積する。欠陥の存在は、熱伝導率を低下させ（超伝導体を熱的に絶縁する）、電気伝導率を低下させ（クエンチ中の温度上昇率を増加させる）、比熱容量を低下させる（熱力学的不安定性を増加させる）。磁石材料における蓄積エネルギーの放出は、磁石材料の特性変化と相まって、超伝導磁石においてフルエンスとともに悪化する極端な異常事象を引き起こす可能性がある。蓄積エネルギーは放出され、局所的な加熱を引き起こし、クエンチのリスクを高める可能性がある。例えば、4.6 Kおよび0.45×1018 n cm−2のフルエンスでの照射後、銅から10 Kから18 Kへ温度を上昇させた際に0.023 J g−1のエネルギー放出が測定されたが、これは同じ温度上昇を自発的に生じさせるのに十分なエネルギーであっただろう。実験データの外挿は、照射誘起欠陥に蓄積されたエネルギーの放出による自発的加熱がいつ発生し得るかを推定するために使用される。臨界フルエンス値は、20 Kの温度での銅の中性子照射について、1.74×1018 n cm−2から2.85×1019 n cm−2の間と推定される。照射された磁石材料に対して高い温度上昇速度で実施されるその場極低温熱量測定実験は、核融合磁石システム設計者に確実性をもたらす可能性がある。超伝導磁石が線量を蓄積するにつれて増大するクエンチリスクを管理するために、制御された温度サイクリングによる欠陥の定期的な焼鈍は、核融合発電所において不可欠となる。これらの保守用温度サイクルの理想的な頻度と動的特性は、さらなる実験的検討によって確立されるだろう。