HTS电流引线可行性论证学习课程

1、受试的20kAHTSCurrentLeads第1页/共47页第一页，编辑于星期六：点 十七分。试验策划试验策划1. 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。2. 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。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。第2页/共47页第二页，编辑于星期六：点 十七分。电位引线标号及测量点位置电位引线标号及测量点位置第3页/共47页第三页，编辑于星期六：点 十七分。

2、20kA HTS20kA HTS电流引线液氮试验结果电流引线液氮试验结果 在78K温度，Bi2223带电流引线仍处于1 mV/cm以下；而Bi2212管与Bi2223带复合的电流引线已达 13.7 mV/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，Bi2212管的临界电流提高几乎加倍，即使电流上升至20 kA超导段仍无大电位差；Bi2223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/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

3、磁场分量，Bi2223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。Bi2212管的临界温度为90-92 K，其临界电流对温度非常敏感，根据小尺寸Bi2212棒的临界电流对磁场和温度的相互关系，可预言Bi2212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。第4页/共47页第四页，编辑于星期六：点 十七分。 接头电阻接头电阻总体都不大，在78K下Nexans管两端分别是44和130 nW；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。说明所采用的钎料和钎焊工艺可以达到

4、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。 NexansNexans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2.2 nW，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6070mV。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。第5页/共47页第五页，编辑于星期六：点 十七分。78K78K液氮冷却的液氮冷却的HTSHTS段段V VA A曲线曲线400060008000100001200014000-50050100150200电位差 (mV)电流 （ A）电流 电位差曲线 点3-4间10cmBi-2223超导带的电位差 点8-9间15cmBi2212超导管的电位差第6页/共47页第六页，编辑于星期六：点 十七分。8000100001200014000160001800020000051015202530354045电位差 (mV)电 流(A)电 流-电 位 差 曲 线 点

6、3-4间 10cm的 Bi-2223超 导 带 电 位 差 点 8-9间 15cm长Bi-2212超 导 管 电 位 差78 70K78 70K液氮冷却的液氮冷却的HTSHTS段段V VA A曲线曲线70.7K70.9K71.5K71.7K71.9K71.9K72.7K第7页/共47页第七页，编辑于星期六：点 十七分。4000600080001000012000140000102030405060708090100110120130140150电阻（nW）电流 （ A）接头 电阻 电流 关系曲线 2-3间的接头 电阻 4-5间的接头 电阻 7-8间的接头 电阻 9-10间的接头 电阻78K78

7、K温度钎焊接头电阻与电流之间关系温度钎焊接头电阻与电流之间关系第8页/共47页第八页，编辑于星期六：点 十七分。8k9k10k11k12k13k0.000.020.040.060.080.10 Copper heat exchanger 1 Copper heat exchanger 2 Copper jointsVoltage VCurrent A铜引线段电位测量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。第9页/共47页第九页，编辑于星期六：点 十七分。8k9k10k11k12k13k1.0 x

8、10-62.0 x10-63.0 x10-64.0 x10-65.0 x10-66.0 x10-67.0 x10-6 Copper heat exchanger 1 Copper heat exchanger 2 Copper jointsResistance WCurrent A铜引线段电阻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第10页/共47页第十页，编辑于星期六：点 十七分。20kA HTS20kA HTS电流引线特点电流引线特点 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EAST电流引

9、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

10、力，有利于减压降温。第11页/共47页第十一页，编辑于星期六：点 十七分。20kA HTS Current leadsfor test facility第12页/共47页第十二页，编辑于星期六：点 十七分。20kA HTS电流引线结构采用Bi-2212管和Bi-2223带仅采用Bi-2223超导带第13页/共47页第十三页，编辑于星期六：点 十七分。MCP Bi-2212 Tube made by Nexans SuperConductors Tc90-92KIc9.05kA at self-field, 77KOD80 mmID65 mmL200 mmR contact 0.09-0.14

11、mW at 77KHeat Leak 70A77K, 自场。锦上添花锦上添花Bi-2212超导管临界电流9052A77K，自场70K下Ic可达20kABi-2212管与Bi-2223带复合的HTS电流引线第18页/共47页第十八页，编辑于星期六：点 十七分。Bi-2212 Tube with a Shunt Made ofBi-2223/Ag-Au Matrix tapes如果38所真空钎焊，他们报价34万元/个在Bi2212管表面加2层Bi2223/银金合金超导带第19页/共47页第十九页，编辑于星期六：点 十七分。Bi-2223 tapes soldered withBi-2212 tub

12、e in a vacuum vesselBi-2212 module solderedto copper cap with InBi第20页/共47页第二十页，编辑于星期六：点 十七分。Ag-Au alloy sheathed Bi-2223 TapesCryoBlockTM Specifications:Matrix: Ag/Au (5.3 wt. % Au)Thickness (avg): 0.22 (+/- 0.02mm)Width (avg): 4.3 (+/- 0.2mm)Critical Tesile Stress: 55 MPa*,*Critical Tensile Strain

13、: 0.10%*,*Min. Ic: 100 A* at 77K, self-field, 1V/cm, * With 95% Ic retention * With no back tension AmSC第21页/共47页第二十一页，编辑于星期六：点 十七分。Critical Current of Bi-2223 vsTemperature and Parallel Field Ic(0.05T,70K)/Ic(0T, 77K) =125%, so a critical of 24kA for 192 CryoBlock tapes is expected.第22页/共47页第二十二页，编

14、辑于星期六：点 十七分。487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第23页/共47页第二十三页，编辑于星期六：点 十七分。HTS Module Solderedinto A Copper Capwith InBi34wt.%用48叠Bi2223/AgAu超导带制造的电流引线与铜接线板之间的钎焊第24页/共47页第二十四页，编辑于星期六：点 十七分。Support Cylinder of NTS CurrentLead With 48 GroovesBrass CylinderCopper End Ring第25页/共47页第二十五页，编辑于星期六：点

15、 十七分。Soldering in a Vacuum Vessel第26页/共47页第二十六页，编辑于星期六：点 十七分。攻克制造难点攻克制造难点 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：Bi2212管与超导带和铜接头全部是InBi低温焊料；Bi2223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

16、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。第27页/共47页第二十七页，编辑于星期六：点 十七分。Copper Lead SectionWith Helical FinHeat ExchangerVacuum jackets第28页/共47页第二十八页，编辑于星期六：点 十七分。Comparison of Two Possible Options Option I: Bi-2212 tube heat load lower, user process is simple,but it is brittle material. O

17、ption II: AgAu alloy matrix Bi-2223 tapesbetter safety when coolant stoppage, lower contact resistance,but soldering process should be careful. AgAu alloy matrix Bi-2223 tapes will be selected for all of EAST current leads.第29页/共47页第二十九页，编辑于星期六：点 十七分。HTSHTS电流引线的优点电流引线的优点1.常规电流引线受Weidemann-Franz定律的制约

18、：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。2.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。3.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。4.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。5.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%，6.HTS电流

19、引线是真正已产生明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。第30页/共47页第三十页，编辑于星期六：点 十七分。各种材料的热导率比较Ag-Au 5wt%第31页/共47页第三十一页，编辑于星期六：点 十七分。Current Lead Requirementof EAST Tokamak16ToroidalFieldCoils16.5kA26CenterSolenoidCoils15kA128PoloidalFieldCoils15kA12Total Requirement: 393 kA第32页/共47页第三十二页，编

20、辑于星期六：点 十七分。EASTEAST装置采用的必要性装置采用的必要性 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/s LHe，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，其合计热负荷降为其合计热负荷降为200W/4.5K200W/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400W/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

21、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。第33页/共47页第三十三页，编辑于星期六：点 十七分。15kA HTS Current LeadFor EAST Tokamak70K LN2 or GN258K GHe65K GHeHTS sectionCo

22、nnectorfor CICCN2 vapor cooledcopper sectionInsulation partsVacuum jacketNbTi/CuSC wires初步设计方案初步设计方案第34页/共47页第三十四页，编辑于星期六：点 十七分。对液氮消耗量的分析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/kA x 400 = 18 kW/70K；采用气冷可降低为50g/s,与T7冷屏的热负荷大致接近。液氮消耗量50g/s等价于225 L/h (5.4 m3/天),6000元/天。 但HTS电流引线可全

23、部利用对EAST冷屏氦流再冷的氮蒸汽的冷量（原被丢弃）。据分析，对此冷屏的冷却能力短缺10-20kW/80K（与plasma chamber 的烘烤温度相关），这需消耗液氮蒸发潜热，而被丢弃的显热冷量大于10-20kW，看来已足以冷却电流引线的铜换热器段，这样真正是废冷利用。所以至多在冷屏热负荷不大时消耗一些液氮作补充。 考虑获得HTS电流引线上端温度70K，需要对液氮槽减压过冷至低于70K。这样也有益于降低装置的冷屏平均温度。第35页/共47页第三十五页，编辑于星期六：点 十七分。国外国外HTSHTS电流引线研发进展和现状电流引线研发进展和现状美AmSC可供产品5kA1996年完成10kA1

24、998年完成13kA1998年完成Bi-2223带Tevertron加速器FZKCERN德ACCEL可供产品13kA2000年完成实际达到15kABi-2212管 ForCERNLHCSuperPower可供产品13kA2000年完成Bi-2223带 ForCERNLHC日JAERI14.5kA1999年完成Bi-2223带 ForITER德FZK20kA，2000年完成实际最大达到40kABi-2223带 ForITER美欧已可提供商品大电流HTS电流引线，但高价（DM10万/对10kA）第36页/共47页第三十六页，编辑于星期六：点 十七分。Matrix: Ag/Au (5.3 wt. %

25、 Au)Thickness (avg): 0.22 (+/- 0.02mm)Width (avg): 4.3 (+/- 0.2mm) Min. Ic: 100 A* 美国AmSC用于制造电流引线的Bi-2223超导带CryoBlock数据低热导率的银金合金包套起分流器稳定作用高梯度磁分离用超导磁体采用HTS电流引线，可不用液氦致冷，而仅仅由一台G-M制冷机传导冷却，使用户十分方便。近年国内也有类似产品问世。第37页/共47页第三十七页，编辑于星期六：点 十七分。美AmSC商用HTS电流引线产品第38页/共47页第三十八页，编辑于星期六：点 十七分。AmSCAmSC的的5kA5kA电流引线电流引

26、线第39页/共47页第三十九页，编辑于星期六：点 十七分。SuperPower公司已研发成13kA HTS电流引线德国ACCEL公司制造的电流引线，采用Nexans公司提供的Bi-2212管第40页/共47页第四十页，编辑于星期六：点 十七分。Heat load to liquid helium1.5 W 13 kA1.0 W 00 AContact resistance 20 nW W 04 K20 nW W 50 KTime constant of current decay after detection of a quench (quench stability)120 sOverall length1.5 mExternal diameter120 mmInsulation test voltage in heliumgas environment3 500 VCERN 13kA电流引线的技术参数制造商ACCEL Instruments GmbH The upper, resisti