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1、20kAHTS电流引线试验结果EAST装置应用 20kAHTS电流引线在LN2试验结果20kA电流引线特点和所选择的两种HTS材料制造工艺难点的攻克和铜电流引线段HTS电流引线的优越性EAST低温系统的制冷量短缺采用HTS电流引线对EAST低温投资节省和运行费减少估计HTS电流引线研发进展结语 YanfangBi 受试的20kAHTSCurrentLeads 试验策划 在F800试验杜瓦内用78K和70K液氮冷却 测量载流能力 接头电阻和铜电流引线性能 模拟在大磁体试验设备中实际运行条件 上端过冷液氮冷却 下端液氦冷却 下一次计划 测量 1 热负荷 2 接头电阻 3 最大载流能力 4 温度分布
2、 5 稳定通电0 5 1小时 需增加仪器 温度计 氦液面计 最终安装到大型试验杜瓦 投入演示性运行 电位引线标号及测量点位置 20kAHTS电流引线液氮试验结果 在78K温度 Bi 2223带电流引线仍处于 1mV cm以下 而Bi 2212管与Bi 2223带复合的电流引线已达13 7mV cm 超过判据 估计在78K下Bi 2212管的临界电流会低于8kA 这样超导带的载流会大于5kA 进入小电阻状态 在70K温度 Bi 2212管的临界电流提高几乎加倍 即使电流上升至20kA超导段仍无大电位差 Bi 2223电流引线的载流能力也大幅度提高 在20kA电流192根超导带的电位差低于1mV
3、cm 根据计算 在20kA时直径80的载流圆筒表面磁场为0 05T 若不考虑垂直于圆筒的磁场分量 Bi 2223带的临界电流相对于单根超导带自场的临界电流的85 在78K时临界电流可达16kA 在70K下可达24kA Bi 2212管的临界温度为90 92K 其临界电流对温度非常敏感 根据小尺寸Bi 2212棒的临界电流对磁场和温度的相互关系 可预言Bi 2212管在70K时的临界电流可达17kA 若超导带贡献7kA 则可望总临界电流也高达24kA 接头电阻总体都不大 在78K下Nexans管两端分别是44和130nW AmSC的超导模件两端分别为4 4和52nW 后者的电阻值明显低得多 说明
4、所采用的钎料和钎焊工艺可以达到低接头电阻的目标 相对阻值较大的是Nexans管 在实际运行条件下 处于下端的接头电阻将下降几十倍 达nW水平 Nexans管电流引线的上接头电阻是下接头电阻1 7 因为上接头电位引线仍在超导段 故电阻小 20nW AmSC带组件的上接头电位引线也处于超导带位置上 因此阻值仅2 2nW 特别小 下接头电位引线塞在通气孔内 包含部分铜电阻 故阻值较大 对铜电流引线测量了电位差 优化设计的电流引线换热器的电位差在优化运行电流下的电位差60 70mV 如果过大 说明电流引线设计得过长 在长期稳定通电流时其内部局部温度会高于上端温度 在78K液氮温度下通13kA电流时电位
5、差已达80mV 估计优化运行电流为 12kA 78K液氮冷却的HTS段V A曲线 7870K液氮冷却的HTS段V A曲线 70 7K 70 9K 71 5K 71 7K 71 9K 71 9K 72 7K 78K温度钎焊接头电阻与电流之间关系 铜引线段电位测量 等于65mV电位差的稳态运行电流为12kA 但由于电流密度低 16kA时才9 3A mm2 故容许长时间在16kA运行 铜引线段电阻 电流低于12 5kA情况下电阻值稳定 说明铜引线段无过热现象 20kAHTS电流引线特点 考虑试验和使用目标是EAST等大型磁体的试验杜瓦 故选择20kA 设计采用2种不同类型的HTS材料 为14对EAS
6、T电流引线选材 载流能力 接头电阻等性能积累数据和关键的工艺经验 1 采用银金包套Bi 2223超导带作为Bi 2212管的分流器 既有分流器的功效 又可增加载流能力 有创新理念 Bi 2212管是主要载流部件 热端温度在70K条件下可通过20kA电流 2 仅使用Bi 2223超导带的设计 增加超导带堆的数目 减小堆间间隙 使横向自场引起Ic退化降低 提高载流能力 为充分发挥低温下Bi 2223带载流能力提高 采用下端层数递减的方案 有利于降低成本和减小漏热 设置磁屏蔽 减小横向外磁场对超导材料Ic的影响 对于铜电流引线设计 考虑到冷氮气的流量大大低于氦蒸汽 采用3螺旋槽并联的结构可减小流动阻
7、力 有利于减压降温 20kAHTSCurrentleadsfortestfacility 20kAHTS电流引线结构 采用Bi 2212管和Bi 2223带 仅采用Bi 2223超导带 MCPBi 2212TubemadebyNexansSuperConductors Tc90 92KIc9 05kAatself field 77KOD80mmID65mmL200mmRcontact0 09 0 14mWat77KHeatLeak 0 5W MainParameters CurrentCapacityandHeatLeakofNexansSuperConductorsMCPBi 2212Tub
8、es DataSheetofBi 2212Tube CriticalCurrentvsTemperatureofBi 2212Tube Operatingat70K theIcincreaseabouttwicealongthe0 05Tcurve TemperatureofSubcooledLN2canbereduceddownto64K soTupper endof70Kispossible Tc 90 92K 104条Bi 2223超导带每条带临界电流 70A 77K 自场 锦上添花 Bi 2212超导管临界电流9052A 77K 自场70K下Ic可达20kA Bi 2212管与Bi 2
9、223带复合的HTS电流引线 Bi 2212TubewithaShuntMadeofBi 2223 Ag AuMatrixtapes 如果38所真空钎焊 他们报价3 4万元 个 在Bi 2212管表面加2层Bi 2223 银 金合金超导带 Bi 2223tapessolderedwithBi 2212tubeinavacuumvessel Bi 2212modulesolderedtocoppercapwithInBi Ag AualloysheathedBi 2223Tapes CryoBlockTMSpecifications Matrix Ag Au 5 3wt Au Thickness
10、 avg 0 22 0 02mm Width avg 4 3 0 2mm CriticalTesileStress 55MPa CriticalTensileStrain 0 10 Min Ic 100A at77K self field 1 V cm With95 Icretention Withnobacktension AmSC CriticalCurrentofBi 2223vsTemperatureandParallelField Ic 0 05T 70K Ic 0T 77K 125 soacriticalof 24kAfor192CryoBlocktapesisexpected 4
11、8 7条Bi 2223超导带组成的HTS电流引线 采用Bi 2223带目标是应用国产材料 HTSModuleSolderedintoACopperCapwithInBi34wt 用48叠Bi 2223 AgAu超导带制造的电流引线与铜接线板之间的钎焊 SupportCylinderofNTSCurrentLeadWith48Grooves BrassCylinder CopperEndRing SolderinginaVacuumVessel 攻克制造难点 超导带的钎焊 试验证明 如果采用普通电烙铁会使超导带性能退化一半或更多 最终我们用电加热带 经调压器控制加热速度和温度 对尺寸小的件放在自
12、制的真空容器内焊接 保证了焊接质量 采用何种焊料也是难点之一 最后 我们根据超导材料供应商的建议和我们的工作条件确定 Bi 2212管与超导带和铜接头全部是InBi低温焊料 Bi 2223带与支撑筒采用SnPbAg焊膏 与铜接头采用InBi 还为Bi 2223超导带堆的钎焊效率提高 设计了专用模具 从HTS电流引线性能测量结果表明 各超导带电流分布较均匀 无退化现象 接头电阻值也属正常 故说明钎焊的技术难关已经攻下 CopperLeadSectionWithHelicalFinHeatExchanger Vacuumjackets ComparisonofTwoPossibleOptions
13、OptionI Bi 2212tubeheatloadlower userprocessissimple butitisbrittlematerial OptionII AgAualloymatrixBi 2223tapesbettersafetywhencoolantstoppage lowercontactresistance butsolderingprocessshouldbecareful AgAualloymatrixBi 2223tapeswillbeselectedforallofEASTcurrentleads HTS电流引线的优点 常规电流引线受Weidemann Fran
14、z定律的制约 kr LT 凡低热导的材料 其电阻率大 使焦耳热增加 优化设计的气冷电流引线热负荷为1 15W kA 或消耗LHe0 05g s kA HTS的热导率比不锈钢还低得多 其实际热导率取决于包套或分流器 而在4 5 70K温区电阻率为零 打破了Weidemann Franz定律的限制 从而大大降低了对4 5K温区的热负荷 常规电流引线的热负荷占低温超导磁体全部热负荷的70 90 减小它的热负荷作用明显 根据ITER设计报告 采用HTS电流引线使低温系统运行费减小52 降幅很大 低温系统的制冷量可相应减小 大幅度减小设备投资 据ITER设计报告 可降低54 HTS电流引线是真正已产生明
15、显的经济效益的高温超导技术应用 倍受人们欢迎 诸如电缆 变压器和电机的HTS应用 用户还觉得太贵和增加技术的复杂性 CurrentLeadRequirementofEASTTokamak TotalRequirement 393kA EAST装置采用的必要性 EAST装置极向场电流引线由6对增加到12对 13对铜电流引线至少需消耗13 7g sLHe 此热负荷相当于3台俄罗斯500W 4 5K制冷机的液氦产量 若设计得保守可能会高达20g s 采用HTS电流引线 其合计热负荷降为 200W 4 5K 大幅度减小 纵场线圈的压头损失高于原计算值 超临界氦泵的驱动功率不得不增加 此项热负荷将高达4
16、00W 4K 上述热负荷的增加 已超出2kW 4K制冷机的制冷量 如果不采取必要的措施将来不可能稳定运行 HT 7U低温系统要增容是相当困难的 因为透平膨胀机制冷量有限 换热器对流量也有限制 不可能光凭增加压机的流量就能达到目的 指挥部提出并联俄罗斯制冷机 其气密性和稳定度都成问题 并非是切实有限的可行措施 从节省运行费考虑 增加1kW 4 5K制冷量的耗电 500kW 每天的电费为5000元 若加液氮费则会高达7000元 天 从设备增容考虑将花费数百万元 还需投入安装调试人力和财力 所以采用HTS电流引线方案是无需犹豫的选择 15kAHTSCurrentLeadForEASTTokamak NbTi CuSCwires 初步设计方案 对液氮消耗量的分析 有人担心 采用HTS电流引线必然会大幅度增加液氮的消耗 用于冷却铜换热器段 如果采用传导冷却至少需45W kAx400 18kW 70K 采用气冷可降低为50g s 与T 7冷屏的热负荷大致接近 液氮消耗量50g s等价于225L h 5 4m3 天 6000元 天 但HTS电流引线可全部利用对EAST冷屏氦流再冷的氮蒸汽的冷量 原被
