液氮傳導冷卻型高溫超導電流引線研制

劉承連 丁開忠 周挺志 馮漢升 陸 坤 宋云濤

(中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031)

液氮傳導冷卻型高溫超導電流引線研制

劉承連 丁開忠 周挺志 馮漢升 陸 坤 宋云濤

(中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031)

80 A和200 A液氮傳導冷卻型高溫超導(HTS)電流引線由銅引線段、中間過渡段和高溫超導段組成，HTS熱端采用液氮傳導冷卻，HTS冷端采用液氦傳導冷卻。銅引線段工作在室溫到中間溫度(～80 K)，高溫超導段工作溫區(qū)6—80 K。介紹該傳導冷卻型電流引線的結構設計和低溫性能測試。實驗結果表明,中間過渡段溫度～78 K，高溫超導熱端溫度77 K；80 A、200 A電流引線液氦下穩(wěn)態(tài)測試電流分別為100 A和250 A。

Bi-2223 高溫超導電流引線 液氮冷卻 漏熱

1 引 言

對于大型超導磁體，常規(guī)電流引線是向低溫系統(tǒng)漏熱的主要熱源。采用高溫超導段結構的電流引線與常規(guī)電流引線相比，能夠有效降低冷端熱負荷，減少約2/3氦消耗，進而降低制冷設備投資和運行費用。隨著Bi-2223/AgAu帶材的商業(yè)化和性能的提高，高溫超導電流引線在世界上越來越多的大型工程中得到發(fā)展和應用。例如KIT為ITER研發(fā)的70 kA電流引線，換熱器段采用50 K氦氣冷卻，低溫超導段采用4.5 K SHe冷卻；CERN的LHC裝置上6—13 kA電流引線，換熱器段采用20 K氦氣冷卻，低溫超導段浸泡在液氦中；以及中國科學院等離子體物理研究所(等離子體所)為ITER研制的10—68kA電流引線，換熱器段采用20—50 K的氦氣冷卻，其中68 kA電流引線試驗件的載流能力達到了90 kA[1-3]。同時，采用液氮冷卻型的高溫超導電流引線也得到了廣泛發(fā)展，例如中國科學院等離子體所為EAST裝置研制的15 kA電流引線，為俄羅斯JINR研究所的重離子加速器裝置NICA研制的6 kA/12 kA電流引線，以及為國家強磁場中心研制的16 kA電流引線[4-5]。

當前，中國科學院近代物理研究所與中國國內(nèi)相關單位正在開展強流質(zhì)子加速器驅動潔凈核能系統(tǒng)(ADS)的研制工作。其中ADS注入器II含有4個低溫恒溫器CM6，每個CM6包含有6個超導磁體，每個超導磁體含有2對80 A、1對200 A的電流引線，共計72對電流引線。等離子體所于2014年底開始為其研制高溫超導電流引線，經(jīng)過多輪的低溫試驗和優(yōu)化設計后，最終確定了設計方案，并于2015年10月底研制了13組(26對80 A和13對200 A)電流引線并成功通過了相關液氦和液氮下的性能測試。這些電流引線的主要特征是：(1)結構模塊化：電流引線的下段采用超導材料降低漏熱，上段采用銅引線，電流引線高溫超導段熱端和冷端分別采用液氮和液氦進行傳導冷卻。(2)低漏熱：1組(4根80 A，2根200 A)電流引線安裝后高溫超導段冷端漏熱小于0.4 W。(3)有一定的過流能力: 電流引線額定電流80 A/200 A；HTS段在液氮溫度下的載流能力>2倍額定電流；考慮到銅引線段的優(yōu)化設計電流為80 A/200 A，當HTS熱端溫度≤80 K情況下：電流引線長時間運行電流可達100 A/250 A。(4)中間過渡段銅板的冷卻：中間溫度段銅板通過“銦片-氮化鋁墊片-銦片”的疊加順序與液氮槽相連，氮化鋁墊片和銦片尺寸與中間溫度段銅板相匹配，使中間溫度段銅板與液氮槽之間既良好導熱又電絕緣。(5)布局緊湊且使用方便，只需對每組6根電流引線的液氮槽連接液氮進口和氮氣出口，不需考慮引線之間及管路的絕緣。80A/200A電流引線的主要設計參數(shù)見表1。

表1 80 A/200 A電流引線主要設計參數(shù)Table 1 Main parameters for 80 A/200 A current lead

2 結構設計

電流引線總長1.17 m，裝配好的1組高溫超導電流引線結構如圖1所示，4根80 A和2根200 A電流引線周向均勻排布在中間的液氮儲槽周圍。主要包括：(1)室溫端與冷端絕緣電極，為了同時實現(xiàn)載流、較高的真空密封和較好的絕緣要求，采用帶陶瓷絕緣子的電極設計，陶瓷絕緣子兩端通過可伐材料分別與不銹鋼法蘭板和中心銅電極焊接。(2)銅引線段，分別采用4 mm和6 mm的銅棒作為80 A與200 A的銅引線段。將銅棒退火后繞制成型，再分別與室溫端絕緣電極的冷端和銅引線冷端的轉接頭進行銀銅焊。(3)過渡段，其主要功能包括對銅引線與HTS段的電連接、對銅引線的熱截止和對液氮儲槽的電絕緣。采用10 mm厚、150×60 mm2的紫銅板設計，通過氮化鋁絕緣導熱墊片與液氮槽外表面壓接。(4)高溫超導(HTS)段，主要由6根高溫超導疊焊接到6個不銹鋼分流器槽中構成，高溫超導疊由多層Bi-2223/AgAu超導帶真空焊接而成。(5)低溫超導+銅段，采用4根NbTi低溫超導線與RRR值50的銅導冷帶并聯(lián)，兩端分別與HTS段冷端銅頭和冷端絕緣電極焊接而成。(6)中間液氮儲槽，主要用于對銅引線進行熱截止。儲槽中部為銅結構，兩端與兩個不銹鋼封頭真空釬焊而成，分別通過底部管路對儲槽補液，頂部管路給儲槽排氣。

圖1 80 A、200 A電流引線結構圖Fig.1 Drawing of integrated 80 A & 200 A current lead

3 液氮下載流測試

為了檢驗高溫超導段的載流能力和對電流引線制造過程的質(zhì)量控制，在整體裝配前需對所有電流引線的高溫超導段進行了液氮下的臨界電流測試，對于不能滿足液氮下載流能力1.5倍裕度(120 A和300 A)設計要求的HTS段，不能裝配到電流引線上。測試電源采用安捷倫1 000 A(精度0.05%)、3.3 V的直流電源；采用精度八位半的吉時利2002數(shù)字萬用表采集HTS段電壓；通過研華USB-4716的數(shù)字電壓輸來控制電源斷電進行失超保護。載流測試裝配如圖2所示，將多根HTS段串聯(lián)在一起連接到電源母排上，采集HTS段在液氮下通電時的電壓數(shù)據(jù)，當達到預定的失超保護參數(shù)(2 mV)時電源斷電。

圖2 高溫超導段載流測試裝配Fig.2 Test assembling of HTS module

圖3為一組4根HTS段的電位差和電流關系曲線。從曲線可以看出，當電流值小于超導段的臨界電流時，電壓為零表明它處于超導態(tài)；當電流值接近及超過臨界電流時電壓快速上揚增長。圖4是以2 μV/cm的高溫超導段失超判據(jù)測得的80 A/200 A高溫超導段臨界電流值柱狀圖，1-52號和53-78號分別為80 A和200 A高溫超導段測試結果，平均值分別為361 A和482 A，最小值分別為295 A和385 A，滿足載流能力大于120 A和300 A的設計要求。

圖3 80 A高溫超導段V-I曲線Fig.3 V-I curves of 80 A HTS module Ic test

圖4 80 A/200 A高溫超導段臨界電流統(tǒng)計Fig.4 Ic of 80 A/200 A HTS module at 77 K self field

4 液氦下性能測試

這些電流引線完成制造和總體裝配后，選取了首組(4根80 A，2根200 A)電流引線進行了液氦低溫下的性能實驗，圖5—6分別為電流引線低溫冷卻流程和低溫實驗平臺。6根電流引線的冷端絕緣電極裝配到一個液氦罐的法蘭蓋板上，實驗時通過液氦管路往罐內(nèi)通液氦對低溫超導段和HTS冷端進行傳導冷卻；中部的液氮罐通過一個氣液分離器將分離后的液氮對罐體供冷和補液；氦和氮回氣分別通過罐體頂部管路排出杜瓦；6個室溫絕緣電極裝配到杜瓦上蓋板上。分別通過室溫銅頭頂端和底部的低溫電極末端將80 A電流引線和200 A電流引線串聯(lián)成兩個回路進行載流測試。系統(tǒng)降溫到位后，對80 A和200 A電流引線分別進行了不同電流下的載流測試和過流能力測試等實驗項目。

圖5 測試工裝與冷卻流程示意圖Fig.5 Test setup and cooling diagram

圖6 電流引線低溫實驗平臺Fig.6 Test bed of current leads

實驗前的系統(tǒng)裝配和測量控制準備完成后，開始對杜瓦抽真空，當真空度達到10-3Pa量級時，開始對引線中部的液氮罐供液氮降溫。當HTS冷端傳導冷卻至約150 K時，對底部液氦罐通液氦降溫。系統(tǒng)降溫到位后，分別對80 A和200 A電流引線進行0電流、額定電流和過電流下的性能測試。圖7—10分別為80 A和200 A電流引線在不同載流下的溫度和電位分布曲線。從圖7和圖9中可以看出，在不同電流下運行時，80 A、200 A電流引線的HTS熱端溫度能夠穩(wěn)定在～77 K，HTS冷端溫度穩(wěn)定在～7.5 K。80 A、 200 A電流引線分別在100 A和200 A穩(wěn)態(tài)時的室溫終端溫度約為305 K和310 K。從圖8和圖10中可以看出，在不同電流下運行時， HTS段電位差比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)失超；80 A和200 A電流引線分別在100 A和200 A運行穩(wěn)定后，銅引線段電位分別為53 mV和43 mV。

圖7 80 A電流引線在不同電流下的溫度分布曲線Fig.7 Temperature curves of 80 A current leads

圖8 80 A電流引線在不同電流下的電位分布曲線Fig.8 Voltage drops of 80 A current leads

圖9 200 A電流引線在不同電流下的溫度分布曲線Fig.9 Temperature curves of 200 A current leads

圖10 200 A電流引線在不同電流下的電位分布曲線Fig.10 Voltage drops of 200 A current leads

5 總 結

由于Bi-2223高溫超導段設計時的分流溫度通常不會超過90 K，因此液氮傳導冷卻型高溫超導電流引線對邊界溫度和溫度的穩(wěn)定性要求較高。本文中80 A和200 A設計具有結構模塊化、低漏熱、布局緊湊等特點。實驗結果表明高溫超導段在液氮溫度下的載流能力遠超過設計要求的1.5倍裕度，電流引線整體裝配后順利通過了不同電流下的液氦實驗和100 A、200 A穩(wěn)態(tài)運行實驗， 過渡段銅塊溫度能夠穩(wěn)定在～78K，HTS熱端溫度能夠穩(wěn)定在～77 K，各邊界點的溫度穩(wěn)定，電流引線整體運行平穩(wěn)。液氮傳導冷卻型電流引線所獲得的諸多進展為接下來的80 A、200 A電流引線，以及其它裝置上對溫度控制要求較高的傳導冷卻型電流引線的研制和批量生產(chǎn)積累了更多的設計、制造和測試經(jīng)驗。

1 Heller R, Darweschsad S M, Dittrich G, et al. Experimental results of a 70 kA high temperature superconductor current lead demonstrator for the ITER magnet system[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2005, 15:1496.

2 Bi Y, Bauer P, Cheng A, et al. Test results of 52/68 kA trial HTS current leads for ITER[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2010, 20: 1718.

3 Ballarino A, Martini L, Mathot S, et al. Large scale assembly and characterization of Bi-2223 conductors[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007, 17:3121.

4 畢延芳. EAST裝置15kA高溫超導電流引線研發(fā)[J]. 低溫物理學報, 2005 (2): 1074-1079.

Bi Yanfang. R&D on 15kA HTS current leads for EAST TOKAMAK [J]. Chinese Journal of Low Temperature Physics, 2005 (2): 1074-1079.

5 Bi Y, Ding K, Feng H, et al. Development of 16 kA HTS current leads for 40 T hybrid magnet application[J]. Journal of Physics, 2014(10):1088-1092.

Development on liquid nitrogen conduction-cooled HTS current Leads

Liu Chenglian Ding Kaizhong Zhou Tingzhi Feng Hansheng Lu Kun Song Yuntao

(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

The liquid nitrogen conduction-cooled 80 A & 200 A HTS current leads are composed of copper wire section, transition section and HTS section. The copper wire section (80 K to room temperature) is conduction-cooled by liquid nitrogen, and the HTS section (6 K to 80 K) is conduction-cooled by liquid helium at cold end. The design and test of the conduction-cooled current leads were introduced. The test results show that the temperature of transition section is about 78 K, and the HTS warm end temperature is 77 K; the 100 A and 250 A steady-state tests have been performed in liquid helium for the 80 A and 200 A current leads.

Bi-2223; HTS current lead; nitrogen cooling; heat leak

2015-12-28；

2016-02-15

科研合作項目-80A/200A高溫超導電流引線研制(KD 201508X)。

劉承連, 男, 32歲, 博士。

TB69，TM26

A

1000-6516(2016)01-0059-05