劉承連 丁開忠 周挺志 馮漢升 陸 坤 宋云濤

(中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031)

液氮傳導(dǎo)冷卻型高溫超導(dǎo)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(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031)

80 A和200 A液氮傳導(dǎo)冷卻型高溫超導(dǎo)(HTS)電流引線由銅引線段、中間過渡段和高溫超導(dǎo)段組成，HTS熱端采用液氮傳導(dǎo)冷卻，HTS冷端采用液氦傳導(dǎo)冷卻。銅引線段工作在室溫到中間溫度(～80 K)，高溫超導(dǎo)段工作溫區(qū)6—80 K。介紹該傳導(dǎo)冷卻型電流引線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和低溫性能測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,中間過渡段溫度～78 K，高溫超導(dǎo)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(dǎo)電流引線 液氮冷卻 漏熱

1 引 言

對于大型超導(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；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(dǎo)段浸泡在液氦中；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(yàn)件的載流能力達(dá)到了90 kA[1-3]。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，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(qiáng)磁場中心研制的16 kA電流引線[4-5]。

當(dāng)前，中國科學(xué)院近代物理研究所與中國國內(nèi)相關(guān)單位正在開展強(qiáng)流質(zhì)子加速器驅(qū)動(dòng)潔凈核能系統(tǒng)(ADS)的研制工作。其中ADS注入器II含有4個(gè)低溫恒溫器CM6，每個(gè)CM6包含有6個(gè)超導(dǎo)磁體，每個(gè)超導(dǎo)磁體含有2對80 A、1對200 A的電流引線，共計(jì)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(dǎo)電流引線，經(jīng)過多輪的低溫試驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)后，最終確定了設(shè)計(jì)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(guān)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(jié)構(gòu)模塊化：電流引線的下段采用超導(dǎo)材料降低漏熱，上段采用銅引線，電流引線高溫超導(dǎo)段熱端和冷端分別采用液氮和液氦進(jìn)行傳導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計(jì)電流為80 A/200 A，當(dāng)HTS熱端溫度≤80 K情況下：電流引線長時(shí)間運(yùn)行電流可達(dá)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(dǎo)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(jìn)口和氮?dú)獬隹?，不需考慮引線之間及管路的絕緣。80A/200A電流引線的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

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

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電流引線總長1.17 m，裝配好的1組高溫超導(dǎo)電流引線結(jié)構(gòu)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(chǔ)槽周圍。主要包括：(1)室溫端與冷端絕緣電極，為了同時(shí)實(shí)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(shè)計(jì)，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(zhuǎn)接頭進(jìn)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(chǔ)槽的電絕緣。采用10 mm厚、150×60 mm2的紫銅板設(shè)計(jì)，通過氮化鋁絕緣導(dǎo)熱墊片與液氮槽外表面壓接。(4)高溫超導(dǎo)(HTS)段，主要由6根高溫超導(dǎo)疊焊接到6個(gè)不銹鋼分流器槽中構(gòu)成，高溫超導(dǎo)疊由多層Bi-2223/AgAu超導(dǎo)帶真空焊接而成。(5)低溫超導(dǎo)+銅段，采用4根NbTi低溫超導(dǎo)線與RRR值50的銅導(dǎo)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(chǔ)槽，主要用于對銅引線進(jìn)行熱截止。儲(chǔ)槽中部為銅結(jié)構(gòu)，兩端與兩個(gè)不銹鋼封頭真空釬焊而成，分別通過底部管路對儲(chǔ)槽補(bǔ)液，頂部管路給儲(chǔ)槽排氣。

圖1 80 A、200 A電流引線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Drawing of integrated 80 A & 200 A current lead

3 液氮下載流測試

為了檢驗(yàn)高溫超導(dǎo)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(dǎo)段進(jìn)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(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行失超保護(hù)。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(shí)的電壓數(shù)據(jù)，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的失超保護(hù)參數(shù)(2 mV)時(shí)電源斷電。

圖2 高溫超導(dǎo)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(guān)系曲線。從曲線可以看出，當(dāng)電流值小于超導(dǎo)段的臨界電流時(shí)，電壓為零表明它處于超導(dǎo)態(tài)；當(dāng)電流值接近及超過臨界電流時(shí)電壓快速上揚(yáng)增長。圖4是以2 μV/cm的高溫超導(dǎo)段失超判據(jù)測得的80 A/200 A高溫超導(dǎo)段臨界電流值柱狀圖，1-52號(hào)和53-78號(hào)分別為80 A和200 A高溫超導(dǎo)段測試結(jié)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(shè)計(jì)要求。

圖3 80 A高溫超導(dǎo)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(dǎo)段臨界電流統(tǒng)計(jì)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(jìn)行了液氦低溫下的性能實(shí)驗(yàn)，圖5—6分別為電流引線低溫冷卻流程和低溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。6根電流引線的冷端絕緣電極裝配到一個(gè)液氦罐的法蘭蓋板上，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過液氦管路往罐內(nèi)通液氦對低溫超導(dǎo)段和HTS冷端進(jìn)行傳導(dǎo)冷卻；中部的液氮罐通過一個(gè)氣液分離器將分離后的液氮對罐體供冷和補(bǔ)液；氦和氮回氣分別通過罐體頂部管路排出杜瓦；6個(gè)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(gè)回路進(jìn)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(jìn)行了不同電流下的載流測試和過流能力測試等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Test bed of current leads

實(shí)驗(yàn)前的系統(tǒng)裝配和測量控制準(zhǔn)備完成后，開始對杜瓦抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到10-3Pa量級時(shí)，開始對引線中部的液氮罐供液氮降溫。當(dāng)HTS冷端傳導(dǎo)冷卻至約150 K時(shí)，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(jìn)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(yùn)行時(shí)，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(shí)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(yùn)行時(shí)， 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(yùn)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(jié)

由于Bi-2223高溫超導(dǎo)段設(shè)計(jì)時(shí)的分流溫度通常不會(huì)超過90 K，因此液氮傳導(dǎo)冷卻型高溫超導(dǎo)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(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)模塊化、低漏熱、布局緊湊等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高溫超導(dǎo)段在液氮溫度下的載流能力遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)和100 A、200 A穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)， 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(diǎn)的溫度穩(wěn)定，電流引線整體運(yùn)行平穩(wěn)。液氮傳導(dǎo)冷卻型電流引線所獲得的諸多進(jìn)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(dǎo)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)、制造和測試經(jīng)驗(yàn)。

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.

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

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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(xiàng)目-80A/200A高溫超導(dǎo)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