6 k A高溫超導電流引線研制

劉承連 丁開忠 周挺志 馮漢升 劉 翔 許昌軍經(jīng)凱明 陸 坤 宋云濤

(中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031)

1 引言

電流引線是室溫電源與低溫磁體之間的電連接裝置。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［1］;CERN 的 LHC 裝置上6ˉ13 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［2］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10ˉ68 kA電流引線，換熱器段采用20ˉ50 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［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電流引線和為國家強磁場中心研制的16 kA 電流引線［4-5］。

當前，俄羅斯JINR研究所正在進行一個大型加速器裝置NICA的建設，整個加速器磁體需要約40對電流等級為1ˉ12 kA的電流引線和約300對百安級電流引線。2012年以來等離子體與JINR研究所簽訂了多批高溫超導電流引線研制合同，截止2014年底已為其研制了6對6 kA和4對12 kA電流引線并成功通過了俄方現(xiàn)場驗收測試，今年還將交付2對6 kA和4對12 kA電流引線，這些電流引線的換熱器段采用液氮冷卻運行溫區(qū)為77 K室溫，高溫超導段為傳導冷卻，運行溫區(qū)為5ˉ77 K。本文主要介紹6 kA電流引線的結構設計、性能分析，以及相關低溫實驗結果。按照合同要求，所有電流引線完成制造裝配后，必須進行絕緣耐壓、氣密性、低溫下的漏熱、載流能力、安全性能等參數(shù)進行測試，6 kA電流引線的主要設計參數(shù)見表1。

表1 6kA電流引線主要設計參數(shù)Table 1 Main parameters for 6 k A current lead

2 結構設計

6 kA電流引線總長1.23 m，其結構如圖1所示。主要包括:(1)室溫終端，通過U型銅排與電源電纜連接，為避免電流引線運行過程中終端銅頭過熱或過冷結霜，銅頭內部采用水冷設計。(2)絕緣法蘭，下端與杜瓦蓋板連接，法蘭骨架為不銹鋼結構，管壁外焊有多個加強環(huán)，骨架表面包繞絕緣材料并在真空中加熱固化。(3)換熱器段，采用翅片式結構，翅片高度16.5 mm，換熱器有效長度0.5 m，采用液氮冷卻，氮在翅片間不斷流動進行換熱。(4)高溫超導(HTS)段，主要由28根高溫超導疊分成14組焊接到不銹鋼分流器的14個槽中構成，每根超導疊由5層英納公司的Bi-2223/AgAu超導帶真空焊接而成。(5)低溫超導(LTS)段，采用JINR研究所的Nuclotron cable與冷端銅頭壓力焊接而成，Nuclotron cable結構見圖2，LTS上端與HTS的接頭截面如圖3所示，低溫超導線位于5 K冷端銅頭槽中，并分別與銅頭和超導疊焊接。

圖1 6 kA電流引線結構圖Fig.1 Drawing of integrated 6 k A current lead

圖2 Nuclotron cable三維結構Fig.2 3-D model of nuclotron cable

圖3 HTS-LTS接頭截面Fig.3 Cross section of HTS-LTS joint

3 載流和漏熱分析

6 kA電流引線最大載流要求為8 kA，高溫超導段運行溫區(qū)5ˉ77 K，冷端漏熱要求小于3 W。其高溫超導段主要由Bi-2223超導疊(stacks)和不銹鋼分流器(shunt)構成。分流器主要作用是支撐超導疊和當超導疊一旦失超時分流一部分電流并抑制超導疊快速升溫，由于不銹鋼熱導率很低，用其作為分流器可以大大減小超導段的冷端漏熱。6 kA電流引線超導段長度、截面積參數(shù)見表2。分流器采用變截面設計，適當增加熱端厚度有利于有效延長失冷(LOFA)安全時間。

表2 高溫超導段長度與截面積參數(shù)Table 2 Length and cross section of HTS module

圖4 77 K下超導帶臨界電流與垂直場關系Fig.4 I c(B⊥)normalized to the I c(self-field)at T=77 K for Bi-2223 tape

3.1 HTS 載流分析

高溫超導段的載流能力是電流引線的一個重要參數(shù)，由于Bi-2223超導帶材臨界電流對垂直寬面的磁場比較敏感，超導疊被緊密布置在一個圓形的分流器外筒上。77 K下超導帶臨界電流與磁場的關系見圖4(失超判據(jù)1μV/cm)，將帶內的超導填充簡化為3.86×0.17 mm2的矩形模型，可得到臨界電流為110 A的超導帶平均電流密度與垂直場關系式

根據(jù)電流密度與垂直場關系，利用 ANSYS PLANE13二維電磁分析模塊對6kA電流引線超導段進行電磁迭代分析，可得到HTS段處于臨界電流時的空間磁場分布和電流密度分布［6］。

6 kA電流引線HTS段臨界電流時的電流密度分布如圖5所示，從圖中可以看出，各槽的中部電流密度較大，槽與槽之間受漏磁影響電流密度較小。對所有超導帶節(jié)點的電流密度積分可得77K下HTS段載流能力為10.9 kA，各槽平均載流779.9 A。

圖5 HTS段電流密度分布Fig.5 Distribution of critical current density of HTSmodule

3.2 冷端漏熱分析

不銹鋼(304)分流器和超導疊的熱導率曲線如圖6所示。高溫超導段在傳導冷卻下，冷端漏熱是分流器與高溫超導疊兩部分之和

式中:kstacks為超導疊為超導疊的熱導率，W/m˙K;kshunt位分流器的熱導率，W/m˙K;Astacks為超導疊的截面積，mm;Ashunt為分流器的截面積，mm;Q0為冷端漏熱，W;d T/d x為高溫超導段軸向溫度梯度。當高溫超導段溫度場穩(wěn)定后，冷端漏熱將不再隨位置變化

圖6 分流器和超導疊的熱導率Fig.6 Thermal conductivity of stainless steel and HTS stack

超導段冷端溫度T0、熱端溫度T0'一定時，利用MATLAB軟件求解以上兩式組成的微分方程組可得到高溫超導段上的溫度分布和冷端漏熱(圖7)，當超導段穩(wěn)定運行在5ˉ77 K溫區(qū)時的冷端漏熱為2.3 W。

圖7 超導段溫度分布Fig.7 Temperature curves of HTS module

4 低溫實驗與結果

6對6 kA電流引線完成制造后，分別在2014年3月至9月對這些電流引線進行了氦回路的30×105Pa耐壓實驗、法蘭5.6 kV下的高壓實驗、以及低溫性能實驗，圖8ˉ9分別為裝配完成的6 kA電流引線低溫冷卻流程和低溫實驗平臺。電流引線低溫超導端通過一個U型的低溫超導部件短接，采用液氦對電流引線的5 K冷端進行冷卻;換熱器段采用液氮進行冷卻;恒溫器冷屏通過一個單獨的液氮杜瓦供冷。系統(tǒng)降溫到位后，對每對電流引線分別進行了零電流下漏熱、6 kA穩(wěn)態(tài)運行與LOFA測試、以及8 kA過流能力測試等實驗項目。6 kA電流引線的主要實驗結果如表3所示，零電流下液氮需求低于0.46 g/s，5 K冷端漏熱小于2.5 W，過流實驗電流8 kA。

圖8 6 kA電流引線低溫冷卻流程Fig.8 Cooling diagram of 6 kA current leads

圖9 6 kA電流引線低溫實驗平臺Fig.9 Test bed of 6 kA current leads

表3 6 k A電流引線主要實驗結果Table 3 Main test result of 6 kA current leads

5 總結

6 kA高溫超導電流引線實驗結果表明電流引線的各項參數(shù)滿足JINR的設計要求。6 kA電流引線所獲得的諸多進展為接下來的6 kA和12 kA電流引線以及其它裝置上的液氮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 Helle R R，Darweschsad SM，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 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.

3 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.

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

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

6 Liu C，Bi Y，Ding K，et al.Investigating the 10 kA HTSModule of the ITER Current Leads［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2012，22:1051.