滕玉平， 魏周榮， 張應(yīng)俊， 李英姿， 李愛英，李國(guó)峰， 曾明武， 薛天軍

(1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190;2.甘肅長(zhǎng)通電纜科技股份公司，甘肅白銀730900)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求量也越來越大，而煤炭及石油資源已日漸枯竭，替代能源的開發(fā)利用已成必然。當(dāng)前開發(fā)的能源種類很多，其中最理想和最有前途的新能源之一是受控?zé)岷司圩冞^程中產(chǎn)生的聚變能量。磁約束核聚變裝置中，托卡馬克磁體是最有希望實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)堆的裝置。CICC(Cable-In-Conduit Conductors)超導(dǎo)導(dǎo)體，它具有良好的自支撐、較低的交流損耗、所需低溫冷卻介質(zhì)少、運(yùn)行安全可靠、性能高等特點(diǎn)，是目前國(guó)際上公認(rèn)的受控?zé)岷司圩冄b置中的大型超導(dǎo)磁體等裝置的首選導(dǎo)體。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(Intemational Thermonuclear Experimental Reactor ITER)計(jì)劃是由美國(guó)、日本、歐盟、俄羅斯、中國(guó)、韓國(guó)以及印度七方聯(lián)合籌建的大型磁約束聚變實(shí)驗(yàn)堆。其中，中國(guó)投資約100億人民幣，以實(shí)物及技術(shù)參與項(xiàng)目開發(fā)。建造ITER的目的是在物理上對(duì)長(zhǎng)脈沖氘氚自持燃燒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在工程上對(duì)反應(yīng)堆的技術(shù)進(jìn)行可靠性探索。

熱核聚變裝置由18個(gè)縱場(chǎng)線圈、6個(gè)中心螺管線圈、6個(gè)極向場(chǎng)線圈以及18個(gè)校正場(chǎng)線圈組成。CICC超導(dǎo)導(dǎo)體是用于繞制熱核聚變裝置用超導(dǎo)線圈的重要材料。根據(jù)不同線圈的作用和要求，熱核聚變裝置超導(dǎo)系統(tǒng)總共有7種不同型號(hào)規(guī)格的CICC超導(dǎo)導(dǎo)體。我國(guó)主要承擔(dān)TF(Toroidal Field coils)型和PF(Poloidal Field coils)型兩種CICC超導(dǎo)導(dǎo)體的研制。中科院合肥物質(zhì)研究院合肥等離子研究所為CICC超導(dǎo)導(dǎo)體技術(shù)總負(fù)責(zé)單位。TF型主要用于中心螺管線圈，PF型主要用于極向場(chǎng)線圈，CICC超導(dǎo)導(dǎo)體由一根外層不銹鋼管和一根套在其中的由多級(jí)子纜絞合成的CICC用超導(dǎo)電纜(以下稱超導(dǎo)電纜)兩部分組成。

2007年9月，甘肅長(zhǎng)通電纜科技股份公司即參與超導(dǎo)電纜絞纜技術(shù)研發(fā)。2008年，該公司與西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司聯(lián)合承擔(dān)國(guó)家“973”計(jì)劃“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆用超導(dǎo)電纜絞纜過程優(yōu)化研究”項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)2008CB717904)，項(xiàng)目目的在于對(duì)超導(dǎo)電纜的絞纜工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定工業(yè)化絞纜的技術(shù)路線和技術(shù)方案，為工業(yè)化生產(chǎn)CICC超導(dǎo)電纜奠定基礎(chǔ)。

1 CICC超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)

TF型和PF型兩種型號(hào)CICC超導(dǎo)導(dǎo)體不銹鋼管內(nèi)的超導(dǎo)電纜具有相似的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，只是在各級(jí)子纜的材料組成和單線直徑、絞合參數(shù)方面略有不同。TF型超導(dǎo)電纜各級(jí)子纜的單線直徑為0.82 mm，PF 型單線直徑為0.73 mm，超導(dǎo)單線與常規(guī)同直徑硬銅單線具有相似的物理機(jī)械性能。超導(dǎo)電纜第一級(jí)子纜由若干根銅線和若干根超導(dǎo)線材按照一定的絞合節(jié)距絞合構(gòu)成，然后將若干根子纜單元再按照一定的絞合節(jié)距絞合構(gòu)成二級(jí)子纜，同理再絞合成三級(jí)、四級(jí)子纜，最后絞合為成品(五級(jí))超導(dǎo)電纜。其中，第四級(jí)和成品超導(dǎo)電纜外層設(shè)計(jì)有0.1×15 mm和0.1×25 mm的不銹鋼帶。圖1和圖2分別為CICC-TF型超導(dǎo)電纜工藝流程圖和各級(jí)子纜結(jié)構(gòu)圖。

圖1 加工工藝流程圖

圖2 各級(jí)子纜結(jié)構(gòu)圖

2 技術(shù)難點(diǎn)

2.1 空隙率的控制

空隙率是指成品超導(dǎo)電纜截面中空隙部分同超導(dǎo)電纜截面積比。由于當(dāng)超導(dǎo)電纜傳輸交流電流時(shí)，超導(dǎo)體處在交變的磁場(chǎng)中，變化的磁場(chǎng)必將引起耦合電流。這個(gè)電流在股線中的芯絲、電纜中的股線及子電纜間流動(dòng)，從而產(chǎn)生耦合損耗。制約交流損耗有兩大因素即股線間的電阻和磁場(chǎng)的變化率。因而，從結(jié)構(gòu)的角度，超導(dǎo)電纜空隙率對(duì)股線的電阻和耦合損耗影響很大。當(dāng)空隙率較大時(shí)，使股線間特別是扭絞的交叉點(diǎn)處的接觸變松，接觸電阻變大，耦合損耗變小。因此，CICC電纜子纜和五級(jí)子纜外的不銹鋼帶繞包節(jié)距及繞包張力對(duì)減小導(dǎo)線的交流損耗時(shí)間常數(shù)，從而減小交流損耗有著直接影響。但是當(dāng)用不銹鋼帶包扎增大股線間的電阻，卻不利于電流的均勻分配，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性裕度降低。因此，CICC電纜絞纜過程中必須嚴(yán)格控制不銹鋼帶繞包張力，控制超導(dǎo)電纜外徑，達(dá)到既實(shí)現(xiàn)增大股線間的電阻，又保證股線間的電流的均勻分配，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 超導(dǎo)電纜外徑的控制

超導(dǎo)電纜采用的超導(dǎo)材料是鈮鈦合金或鈮三錫合金材料，西部超導(dǎo)科技公司提供的超導(dǎo)單線抗拉強(qiáng)度320～400 MPa，伸長(zhǎng)率60%～80%，機(jī)械性能近似未經(jīng)完全熱處理的常規(guī)同規(guī)格銅單線的性能。對(duì)于常規(guī)電纜而言，電纜外徑控制較容易實(shí)現(xiàn)，但由于超導(dǎo)電纜成品中不允許出現(xiàn)單線壓扁、不銹鋼帶的損傷等缺陷，更不允許出現(xiàn)單線的跳浜。超導(dǎo)電纜一級(jí)子纜到五級(jí)子纜均為右向絞制，電纜的結(jié)構(gòu)松散，各級(jí)子纜的絞合質(zhì)量對(duì)于外徑的控制及五級(jí)子纜的電纜外層是否有損傷有著直接的影響。

2.3 超導(dǎo)電纜潔凈度

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆對(duì)超導(dǎo)電纜潔凈度要求非常高，其采購標(biāo)準(zhǔn)為每米雜質(zhì)含量不得超過500 mg［1］。這就對(duì)超導(dǎo)電纜各級(jí)子纜絞纜過程中模具材料、模具孔徑選擇以及加工過程中的環(huán)境提出了很高的要求，各級(jí)子纜絞制過程中必須盡可能地控制銅屑和超導(dǎo)材料粉屑產(chǎn)生，并防止粉塵雜質(zhì)混入。

3 試制加工

超導(dǎo)電纜絞纜技術(shù)開發(fā)試制至通過工藝評(píng)審共歷時(shí)近兩年，共絞制啞纜400 m(注:由于超導(dǎo)電纜采用的超導(dǎo)單線價(jià)格昂貴，每公斤單價(jià)近1萬元人民幣，因此前四次試制均以同規(guī)格的銅單線代替超導(dǎo)單線絞制，由此絞制的產(chǎn)品稱為“啞纜”(dummy cable))、超導(dǎo)纜5 m(超導(dǎo)線材由西部超導(dǎo)材料科技股份公司提供)。第一階段樣品試制于2008年8月完成TF型超導(dǎo)電纜的工藝技術(shù)開發(fā)，第二階段于2009年4月完成PF型超導(dǎo)電纜的工藝技術(shù)開發(fā)，2010年4月通過國(guó)家科技部組織的評(píng)審。以下以TF型CICC電纜為例說明絞纜試制加工過程。

(1)單線拉制。在連續(xù)退火中拉機(jī)上進(jìn)行，銅絲拉制時(shí)采用半退火狀態(tài)拉制，退火系數(shù)0.3，標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求單線直徑(0.820±0.005)mm，實(shí)際拉制單線平均直徑(0.823±0.003)mm，抗拉強(qiáng)度 362 MPa，伸長(zhǎng)率71%。

(2)一級(jí)子纜A(3×0.82)絞制。采用6/ 200型管絞機(jī)，放線張力小于50 N，絞制后銅單線平均外徑0.822 mm，略有拉細(xì)，但仍在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，實(shí)際節(jié)距77 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求(80±5)mm。

(3)二級(jí)子纜B(3×A)絞纜及中心線E=4×A絞制。采用 400型束絲機(jī)絞制，放線張力小于120 N，絞制后銅單線平均外徑0.821 mm，實(shí)際節(jié)距145 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求(140±10)mm。

(4)三級(jí)子纜C(5×B)。采用 400型籠絞機(jī)絞制，放線張力小于220 N，絞制后銅單線平均外徑0.821 mm，伸細(xì)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，實(shí)際節(jié)距191 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求(190±10)mm。

(5)四級(jí)子纜F(5×C+E)。采用 1000型成纜機(jī)絞制，實(shí)際節(jié)距310 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)節(jié)距參數(shù)要求(300±15)mm，四級(jí)子纜外有間隙繞包的不銹鋼鋼帶，因超導(dǎo)帶材專用不銹鋼帶材料供應(yīng)問題，CICC超導(dǎo)導(dǎo)體總技術(shù)負(fù)責(zé)單位合肥等離子體研究所只能提供15×0.05 mm不銹鋼帶材，不銹鋼帶間隙率50%。四級(jí)子纜不銹鋼帶繞包張力直接影響超導(dǎo)電纜的耦合損耗，其外徑也影響到五級(jí)子纜的絞制，故四級(jí)子纜的絞制至關(guān)重要。成纜過程共用兩道哈夫模具，兩道哈夫模具孔徑差為0.5 mm，鋼帶包覆后實(shí)際外徑17.0 mm。

(6)五級(jí)子纜6×F+中間螺旋管(1422根單線)絞制。五級(jí)子纜加工為樣品試制最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。難點(diǎn)在于外徑控制并保證單線不受損傷。采用 1000型成纜機(jī)絞制，實(shí)際節(jié)距455 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)節(jié)距參數(shù)要求(450±15)mm。五級(jí)子纜外有重疊繞包的不銹鋼鋼帶，重疊率為40%，同樣，因CICC超導(dǎo)電纜專用不銹鋼帶材供應(yīng)問題，試制過程中實(shí)際使用不銹鋼帶規(guī)格20×0.1 mm。

經(jīng)多次試制，確定了哈夫模+多道輥壓輪緊壓+定徑哈夫?？刂频耐鈴娇刂颇Ｊ?，并確定了各道次模具孔徑，最終試制外徑控制為40.5 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。試制情況表明，各級(jí)子纜絞制過程中的張力控制尤其是張力的均勻性對(duì)于成品電纜外徑控制、表層損傷有直接的影響。

試制完成了多個(gè)啞纜樣品和成品超導(dǎo)電纜樣品的絞制，并送中科院合肥物質(zhì)研究院等離子體物理研究所測(cè)試。經(jīng)檢驗(yàn)，CICC電纜的基本參數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。啞纜及成品纜樣品的試制成功為確定超導(dǎo)電纜工藝路線和工藝方案奠定了基礎(chǔ)。

2009年 5月和 2010年 3月，ITER裝置用CICC-TF型、PF型超導(dǎo)電纜絞纜工藝技術(shù)通過了中國(guó)國(guó)際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心組織的工藝評(píng)審。

4 結(jié)束語

經(jīng)過近兩年的努力，完成了ITER裝置用超導(dǎo)電纜絞纜工藝路線及技術(shù)方案的驗(yàn)證。

各級(jí)子纜絞制中的張力控制尤其是張力的均勻性對(duì)于成品電纜外徑控制、表層損傷有直接影響。

五級(jí)子纜絞制加工尤其是外徑控制是超導(dǎo)電纜絞纜關(guān)鍵環(huán)節(jié)，多道輥壓+定徑哈夫?？刂萍夹g(shù)可有效地控制外徑，并不對(duì)單線造成損傷，基本滿足超導(dǎo)電纜絞制技術(shù)需要。

［1］Technical Specification ANNEX B of Procurement Arran ITER D27ZYMV［S］.