1、受試的20kAHTSCurrentLeads第1頁/共47頁試驗策劃試驗策劃1. 在F800試驗杜瓦內用78K和70K液氮冷卻，測量載流能力、接頭電阻和銅電流引線性能。2. 模擬在大磁體試驗設備中實際運行條件上端過冷液氮冷卻，下端液氦冷卻（下一次計劃），測量：1)熱負荷；2)接頭電阻；3)最大載流能力；4) 溫度分布。5)穩定通電0.5-1小時。需增加儀器：溫度計，氦液面計。最終安裝到大型試驗杜瓦，投入演示性運行。第2頁/共47頁電位引線標號及測量點位置電位引線標號及測量點位置第3頁/共47頁20kA HTS20kA HTS電流引線液氮試驗結果電流引線液氮試驗結果 在78K溫度，Bi2223帶

2、電流引線仍處于1 mV/cm以下；而Bi2212管與Bi2223帶復合的電流引線已達 13.7 mV/cm,超過判據，估計在78K下Bi-2212管的臨界電流會低于8kA，這樣超導帶的載流會大于5kA，進入小電阻狀態。 在70K溫度，Bi2212管的臨界電流提高幾乎加倍，即使電流上升至20 kA超導段仍無大電位差；Bi2223電流引線的載流能力也大幅度提高，在20kA電流192根超導帶的電位差低于1mV/cm。 根據計算，在20kA時直徑80的載流圓筒表面磁場為0.05T。若不考慮垂直于圓筒的磁場分量，Bi2223帶的臨界電流相對于單根超導帶自場的臨界電流的85%；在78K時臨界電流可達16k

3、A，在70K下可達24kA。Bi2212管的臨界溫度為90-92 K，其臨界電流對溫度非常敏感，根據小尺寸Bi2212棒的臨界電流對磁場和溫度的相互關系，可預言Bi2212管在70K時的臨界電流可達17kA，若超導帶貢獻7kA，則可望總臨界電流也高達24kA。第4頁/共47頁接頭電阻接頭電阻總體都不大，在78K下Nexans管兩端分別是44和130 nW；AmSC的超導模件兩端分別為4.4和52nW。后者的電阻值明顯低得多。說明所采用的釬料和釬焊工藝可以達到低接頭電阻的目標。相對阻值較大的是Nexans管，在實際運行條件下，處于下端的接頭電阻將下降幾十倍，達nW水平。NexansNexans管

4、電流引線的上接頭電阻是下接頭電阻1/7，因為上接頭電位引線仍在超導段，故電阻小， 20nW。AmSC帶組件的上接頭電位引線也處于超導帶位置上，因此阻值僅2.2 nW，特別小；下接頭電位引線塞在通氣孔內，包含部分銅電阻，故阻值較大。對銅電流引線對銅電流引線測量了電位差，優化設計的電流引線換熱器的電位差在優化運行電流下的電位差6070mV。如果過大，說明電流引線設計得過長；在長期穩定通電流時其內部局部溫度會高于上端溫度。在78K液氮溫度下通13kA電流時電位差已達80mV，估計優化運行電流為12kA。第5頁/共47頁78K78K液氮冷卻的液氮冷卻的HTSHTS段段V VA A曲線曲線4000600

5、08000100001200014000-50050100150200電位差 (mV)電流 （ A）電流 電位差曲線 點3-4間10cmBi-2223超導帶的電位差 點8-9間15cmBi2212超導管的電位差第6頁/共47頁8000100001200014000160001800020000051015202530354045電位差 (mV)電 流(A)電 流-電 位 差 曲 線 點 3-4間 10cm的 Bi-2223超 導 帶 電 位 差 點 8-9間 15cm長Bi-2212超 導 管 電 位 差78 70K78 70K液氮冷卻的液氮冷卻的HTSHTS段段V VA A曲線曲線70.7K

6、70.9K71.5K71.7K71.9K71.9K72.7K第7頁/共47頁4000600080001000012000140000102030405060708090100110120130140150電阻（nW）電流 （ A）接頭 電阻 電流 關系曲線 2-3間的接頭 電阻 4-5間的接頭 電阻 7-8間的接頭 電阻 9-10間的接頭 電阻78K78K溫度釬焊接頭電阻與電流之間關系溫度釬焊接頭電阻與電流之間關系第8頁/共47頁8k9k10k11k12k13k0.000.020.040.060.080.10 Copper heat exchanger 1 Copper heat exchan

7、ger 2 Copper jointsVoltage VCurrent A銅引線段電位測量銅引線段電位測量等于65mV電位差的穩態運行電流為12kA，但由于電流密度低（16kA時才9.3A/mm2), 故容許長時間在16kA運行。第9頁/共47頁8k9k10k11k12k13k1.0 x10-62.0 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銅引線段電阻銅引線段電阻電流低

8、于12.5kA情況下電阻值穩定，說明銅引線段無過熱現象第10頁/共47頁20kA HTS20kA HTS電流引線特點電流引線特點 考慮試驗和使用目標是EAST等大型磁體的試驗杜瓦，故選擇20kA。 設計采用2種不同類型的HTS材料，為14對EAST電流引線選材、載流能力、接頭電阻等性能積累數據和關鍵的工藝經驗。 1)采用銀金包套Bi-2223超導帶作為Bi-2212管的分流器，既有分流器的功效，又可增加載流能力，有創新理念。Bi-2212管是主要載流部件，熱端溫度在70K條件下可通過20kA電流。 2)僅使用Bi-2223超導帶的設計，增加超導帶堆的數目，減小堆間間隙，使橫向自場引起Ic退化降

9、低，提高載流能力。為充分發揮低溫下Bi-2223帶載流能力提高，采用下端層數遞減的方案，有利于降低成本和減小漏熱。 設置磁屏蔽，減小橫向外磁場對超導材料Ic的影響。 對于銅電流引線設計，考慮到冷氮氣的流量大大低于氦蒸汽，采用3螺旋槽并聯的結構可減小流動阻力，有利于減壓降溫。第11頁/共47頁20kA HTS Current leadsfor test facility第12頁/共47頁20kA HTS電流引線結構采用Bi-2212管和Bi-2223帶僅采用Bi-2223超導帶第13頁/共47頁MCP Bi-2212 Tube made by Nexans SuperConductors Tc9

10、0-92KIc9.05kA at self-field, 77KOD80 mmID65 mmL200 mmR contact 0.09-0.14 mW at 77KHeat Leak 70A77K, 自場。錦上添花錦上添花Bi-2212超導管臨界電流9052A77K，自場70K下Ic可達20kABi-2212管與Bi-2223帶復合的HTS電流引線第18頁/共47頁Bi-2212 Tube with a Shunt Made ofBi-2223/Ag-Au Matrix tapes如果38所真空釬焊，他們報價34萬元/個在Bi2212管表面加2層Bi2223/銀金合金超導帶第19頁/共47頁B

11、i-2223 tapes soldered withBi-2212 tube in a vacuum vesselBi-2212 module solderedto copper cap with InBi第20頁/共47頁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*,*Crit

12、ical Tensile Strain: 0.10%*,*Min. Ic: 100 A* at 77K, self-field, 1V/cm, * With 95% Ic retention * With no back tension AmSC第21頁/共47頁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頁/共47頁487條Bi-

13、2223超導帶組成的HTS電流引線采用Bi-2223帶目標是應用國產材料第23頁/共47頁HTS Module Solderedinto A Copper Capwith InBi34wt.%用48疊Bi2223/AgAu超導帶制造的電流引線與銅接線板之間的釬焊第24頁/共47頁Support Cylinder of NTS CurrentLead With 48 GroovesBrass CylinderCopper End Ring第25頁/共47頁Soldering in a Vacuum Vessel第26頁/共47頁攻克制造難點攻克制造難點 超導帶的釬焊，試驗證明：如果采用普通電烙鐵

14、會使超導帶性能退化一半或更多。 最終我們用電加熱帶，經調壓器控制加熱速度和溫度。對尺寸小的件放在自制的真空容器內焊接，保證了焊接質量。 采用何種焊料也是難點之一。最后，我們根據超導材料供應商的建議和我們的工作條件確定：Bi2212管與超導帶和銅接頭全部是InBi低溫焊料；Bi2223帶與支撐筒采用SnPbAg焊膏，與銅接頭采用InBi。還為Bi-2223超導帶堆的釬焊效率提高，設計了專用模具。 從HTS電流引線性能測量結果表明，各超導帶電流分布較均勻，無退化現象。接頭電阻值也屬正常。故說明釬焊的技術難關已經攻下。第27頁/共47頁Copper Lead SectionWith Helical

15、FinHeat ExchangerVacuum jackets第28頁/共47頁Comparison of Two Possible Options Option I: Bi-2212 tube heat load lower, user process is simple,but it is brittle material. Option II: AgAu alloy matrix Bi-2223 tapesbetter safety when coolant stoppage, lower contact resistance,but soldering process should b

16、e careful. AgAu alloy matrix Bi-2223 tapes will be selected for all of EAST current leads.第29頁/共47頁HTSHTS電流引線的優點電流引線的優點1.常規電流引線受Weidemann-Franz定律的制約：kr=LT, 凡低熱導的材料，其電阻率大，使焦耳熱增加，優化設計的氣冷電流引線熱負荷為1.15W/kA,或消耗LHe0.05g/s/kA。2.HTS的熱導率比不銹鋼還低得多（其實際熱導率取決于包套或分流器），而在4.5-70K溫區電阻率為零，打破了Weidemann-Franz定律的限制，從而大大降低

17、了對4.5K溫區的熱負荷。3.常規電流引線的熱負荷占低溫超導磁體全部熱負荷的70-90%，減小它的熱負荷作用明顯。4.根據ITER設計報告，采用HTS電流引線使低溫系統運行費減小52%，降幅很大。5.低溫系統的制冷量可相應減小，大幅度減小設備投資，據ITER設計報告，可降低54%，6.HTS電流引線是真正已產生明顯的經濟效益的高溫超導技術應用，倍受人們歡迎。諸如電纜、變壓器和電機的HTS應用,用戶還覺得太貴和增加技術的復雜性。第30頁/共47頁各種材料的熱導率比較Ag-Au 5wt%第31頁/共47頁Current Lead Requirementof EAST Tokamak16Toroid

18、alFieldCoils16.5kA26CenterSolenoidCoils15kA128PoloidalFieldCoils15kA12Total Requirement: 393 kA第32頁/共47頁EASTEAST裝置采用的必要性裝置采用的必要性 EAST裝置極向場電流引線由6對增加到12對。13對銅電流引線至少需消耗13.7g/s LHe，此熱負荷相當于3臺俄羅斯500W/4.5K制冷機的液氦產量。若設計得保守可能會高達20g/s。采用HTS電流引線，其合計熱負荷降為其合計熱負荷降為200W/4.5K200W/4.5K，大幅度減小。 縱場線圈的壓頭損失高于原計算值，超臨界氦泵的驅動

19、功率不得不增加，此項熱負荷將高達400W/4K。 上述熱負荷的增加，已超出2kW/4K制冷機的制冷量，如果不采取必要的措施將來不可能穩定運行。 HT-7U低溫系統要增容是相當困難的，因為透平膨脹機制冷量有限，換熱器對流量也有限制，不可能光憑增加壓機的流量就能達到目的。指揮部提出并聯俄羅斯制冷機，其氣密性和穩定度都成問題，并非是切實有限的可行措施。 從節省運行費考慮，增加1kW/4.5K制冷量的耗電500kW，每天的電費為5000元，若加液氮費則會高達7000元/天。從設備增容考慮將花費數百萬元,還需投入安裝調試人力和財力，所以采用HTS電流引線方案是無需猶豫的選擇。第33頁/共47頁15kA

20、HTS Current LeadFor EAST Tokamak70K LN2 or GN258K GHe65K GHeHTS sectionConnectorfor CICCN2 vapor cooledcopper sectionInsulation partsVacuum jacketNbTi/CuSC wires初步設計方案初步設計方案第34頁/共47頁對液氮消耗量的分析對液氮消耗量的分析 有人擔心：采用HTS電流引線必然會大幅度增加液氮的消耗,用于冷卻銅換熱器段。如果采用傳導冷卻至少需45W/kA x 400 = 18 kW/70K；采用氣冷可降低為50g/s,與T7冷屏的熱負荷大致

21、接近。液氮消耗量50g/s等價于225 L/h (5.4 m3/天),6000元/天。 但HTS電流引線可全部利用對EAST冷屏氦流再冷的氮蒸汽的冷量（原被丟棄）。據分析，對此冷屏的冷卻能力短缺10-20kW/80K（與plasma chamber 的烘烤溫度相關），這需消耗液氮蒸發潛熱，而被丟棄的顯熱冷量大于10-20kW，看來已足以冷卻電流引線的銅換熱器段，這樣真正是廢冷利用。所以至多在冷屏熱負荷不大時消耗一些液氮作補充。 考慮獲得HTS電流引線上端溫度70K，需要對液氮槽減壓過冷至低于70K。這樣也有益于降低裝置的冷屏平均溫度。第35頁/共47頁國外國外HTSHTS電流引線研發進展和現狀

22、電流引線研發進展和現狀美AmSC可供產品5kA1996年完成10kA1998年完成13kA1998年完成Bi-2223帶Tevertron加速器FZKCERN德ACCEL可供產品13kA2000年完成實際達到15kABi-2212管 ForCERNLHCSuperPower可供產品13kA2000年完成Bi-2223帶 ForCERNLHC日JAERI14.5kA1999年完成Bi-2223帶 ForITER德FZK20kA，2000年完成實際最大達到40kABi-2223帶 ForITER美歐已可提供商品大電流HTS電流引線，但高價（DM10萬/對10kA）第36頁/共47頁Matrix:

23、Ag/Au (5.3 wt. % Au)Thickness (avg): 0.22 (+/- 0.02mm)Width (avg): 4.3 (+/- 0.2mm) Min. Ic: 100 A* 美國AmSC用于制造電流引線的Bi-2223超導帶CryoBlock數據低熱導率的銀金合金包套起分流器穩定作用高梯度磁分離用超導磁體采用HTS電流引線，可不用液氦致冷，而僅僅由一臺G-M制冷機傳導冷卻，使用戶十分方便。近年國內也有類似產品問世。第37頁/共47頁美AmSC商用HTS電流引線產品第38頁/共47頁AmSCAmSC的的5kA5kA電流引線電流引線第39頁/共47頁SuperPower公司

24、已研發成13kA HTS電流引線德國ACCEL公司制造的電流引線，采用Nexans公司提供的Bi-2212管第40頁/共47頁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 13k