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(xué)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(duì)于大型超導(dǎo)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(dǎo)段結(jié)構(gòu)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(fù)荷，減少約2/3氦消耗，進(jìn)而降低制冷設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用。隨著Bi-2223/AgAu帶材的商業(yè)化和性能的提高，高溫超導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)段浸泡在液氦中［2］以及中國科學(xué)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(yàn)件的載流能力達(dá)到了90 kA［3］。同時(shí)，采用液氮冷卻型的高溫超導(dǎo)電流引線也得到了廣泛發(fā)展，例如中國科學(xué)院等離子體所為EAST裝置研制的15 kA電流引線和為國家強(qiáng)磁場(chǎng)中心研制的16 kA 電流引線［4-5］。

當(dāng)前，俄羅斯JINR研究所正在進(jìn)行一個(gè)大型加速器裝置NICA的建設(shè)，整個(gè)加速器磁體需要約40對(duì)電流等級(jí)為1ˉ12 kA的電流引線和約300對(duì)百安級(jí)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(dǎo)電流引線研制合同，截止2014年底已為其研制了6對(duì)6 kA和4對(duì)12 kA電流引線并成功通過了俄方現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)試，今年還將交付2對(duì)6 kA和4對(duì)12 kA電流引線，這些電流引線的換熱器段采用液氮冷卻運(yùn)行溫區(qū)為77 K室溫，高溫超導(dǎo)段為傳導(dǎo)冷卻，運(yùn)行溫區(qū)為5ˉ77 K。本文主要介紹6 kA電流引線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析，以及相關(guān)低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果。按照合同要求，所有電流引線完成制造裝配后，必須進(jìn)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(jìn)行測(cè)試，6 kA電流引線的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

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

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6 kA電流引線總長1.23 m，其結(jié)構(gòu)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(yùn)行過程中終端銅頭過熱或過冷結(jié)霜，銅頭內(nèi)部采用水冷設(shè)計(jì)。(2)絕緣法蘭，下端與杜瓦蓋板連接，法蘭骨架為不銹鋼結(jié)構(gòu)，管壁外焊有多個(gè)加強(qiáng)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(jié)構(gòu)，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(dòng)進(jìn)行換熱。(4)高溫超導(dǎo)(HTS)段，主要由28根高溫超導(dǎo)疊分成14組焊接到不銹鋼分流器的14個(gè)槽中構(gòu)成，每根超導(dǎo)疊由5層英納公司的Bi-2223/AgAu超導(dǎo)帶真空焊接而成。(5)低溫超導(dǎo)(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(jié)構(gòu)見圖2，LTS上端與HTS的接頭截面如圖3所示，低溫超導(dǎo)線位于5 K冷端銅頭槽中，并分別與銅頭和超導(dǎo)疊焊接。

圖1 6 kA電流引線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Drawing of integrated 6 k A current lead

圖2 Nuclotron cable三維結(jié)構(gòu)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(dǎo)段運(yùn)行溫區(qū)5ˉ77 K，冷端漏熱要求小于3 W。其高溫超導(dǎo)段主要由Bi-2223超導(dǎo)疊(stacks)和不銹鋼分流器(shunt)構(gòu)成。分流器主要作用是支撐超導(dǎo)疊和當(dāng)超導(dǎo)疊一旦失超時(shí)分流一部分電流并抑制超導(dǎo)疊快速升溫，由于不銹鋼熱導(dǎo)率很低，用其作為分流器可以大大減小超導(dǎo)段的冷端漏熱。6 kA電流引線超導(dǎo)段長度、截面積參數(shù)見表2。分流器采用變截面設(shè)計(jì)，適當(dāng)增加熱端厚度有利于有效延長失冷(LOFA)安全時(shí)間。

表2 高溫超導(dǎo)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(dǎo)帶臨界電流與垂直場(chǎng)關(guān)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(dǎo)段的載流能力是電流引線的一個(gè)重要參數(shù)，由于Bi-2223超導(dǎo)帶材臨界電流對(duì)垂直寬面的磁場(chǎng)比較敏感，超導(dǎo)疊被緊密布置在一個(gè)圓形的分流器外筒上。77 K下超導(dǎo)帶臨界電流與磁場(chǎng)的關(guān)系見圖4(失超判據(jù)1μV/cm)，將帶內(nèi)的超導(dǎo)填充簡(jiǎn)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(dǎo)帶平均電流密度與垂直場(chǎng)關(guān)系式

根據(jù)電流密度與垂直場(chǎng)關(guān)系，利用 ANSYS PLANE13二維電磁分析模塊對(duì)6kA電流引線超導(dǎo)段進(jìn)行電磁迭代分析，可得到HTS段處于臨界電流時(shí)的空間磁場(chǎng)分布和電流密度分布［6］。

6 kA電流引線HTS段臨界電流時(shí)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(duì)所有超導(dǎo)帶節(jié)點(diǎn)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(dǎo)疊的熱導(dǎo)率曲線如圖6所示。高溫超導(dǎo)段在傳導(dǎo)冷卻下，冷端漏熱是分流器與高溫超導(dǎo)疊兩部分之和

式中:kstacks為超導(dǎo)疊為超導(dǎo)疊的熱導(dǎo)率，W/m˙K;kshunt位分流器的熱導(dǎo)率，W/m˙K;Astacks為超導(dǎo)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(dǎo)段軸向溫度梯度。當(dāng)高溫超導(dǎo)段溫度場(chǎng)穩(wěn)定后，冷端漏熱將不再隨位置變化

圖6 分流器和超導(dǎo)疊的熱導(dǎo)率Fig.6 Thermal conductivity of stainless steel and HTS stack

超導(dǎo)段冷端溫度T0、熱端溫度T0'一定時(shí)，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(dǎo)段上的溫度分布和冷端漏熱(圖7)，當(dāng)超導(dǎo)段穩(wěn)定運(yùn)行在5ˉ77 K溫區(qū)時(shí)的冷端漏熱為2.3 W。

圖7 超導(dǎo)段溫度分布Fig.7 Temperature curves of HTS module

4 低溫實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

6對(duì)6 kA電流引線完成制造后，分別在2014年3月至9月對(duì)這些電流引線進(jìn)行了氦回路的30×105Pa耐壓實(shí)驗(yàn)、法蘭5.6 kV下的高壓實(shí)驗(yàn)、以及低溫性能實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。電流引線低溫超導(dǎo)端通過一個(gè)U型的低溫超導(dǎo)部件短接，采用液氦對(duì)電流引線的5 K冷端進(jìn)行冷卻;換熱器段采用液氮進(jìn)行冷卻;恒溫器冷屏通過一個(gè)單獨(dú)的液氮杜瓦供冷。系統(tǒng)降溫到位后，對(duì)每對(duì)電流引線分別進(jìn)行了零電流下漏熱、6 kA穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與LOFA測(cè)試、以及8 kA過流能力測(cè)試等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。6 kA電流引線的主要實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 Test bed of 6 kA current leads

表3 6 k A電流引線主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Main test result of 6 kA current leads

5 總結(jié)

6 kA高溫超導(dǎo)電流引線實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電流引線的各項(xiàng)參數(shù)滿足JINR的設(shè)計(jì)要求。6 kA電流引線所獲得的諸多進(jìn)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(shè)計(jì)、制造和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)。

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(dǎo)電流引線研發(fā)［J］.低溫物理學(xué)報(bào)，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.