HTS電流引線可行性論證PPT課件

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(nèi)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(shè)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(fù)荷；2)接頭電阻；3)最大載流能力；4) 溫度分布。5)穩(wěn)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(biāo)號及測量點位置電位引線標(biāo)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(jié)果電流引線液氮試驗結(jié)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(fù)合的電流引線已達(dá) 13.7 mV/cm,超過判據(jù)，估計在78K下Bi-2212管的臨界電流會低于8kA，這樣超導(dǎo)帶的載流會大于5kA，進(jìn)入小電阻狀態(tài)。 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(dǎo)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(dǎo)帶的電位差低于1mV/cm。 根據(jù)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(dǎo)帶自場的臨界電流的85%；在78K時臨界電流可達(dá)16k

3、A，在70K下可達(dá)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(jù)小尺寸Bi2212棒的臨界電流對磁場和溫度的相互關(guān)系，可預(yù)言Bi2212管在70K時的臨界電流可達(dá)17kA，若超導(dǎo)帶貢獻(xiàn)7kA，則可望總臨界電流也高達(dá)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(dǎo)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(dá)到低接頭電阻的目標(biāo)。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(dá)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(dǎo)段，故電阻小， 20nW。AmSC帶組件的上接頭電位引線也處于超導(dǎo)帶位置上，因此阻值僅2.2 nW，特別??；下接頭電位引線塞在通氣孔內(nèi)，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(yōu)化設(shè)計的電流引線換熱器的電位差在優(yōu)化運行電流下的電位差6070mV。如果過大，說明電流引線設(shè)計得過長；在長期穩(wěn)定通電流時其內(nèi)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(dá)80mV，估計優(yōu)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(dǎo)帶的電位差 點8-9間15cmBi2212超導(dǎo)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(dǎo) 帶 電 位 差 點 8-9間 15cm長Bi-2212超 導(dǎo) 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(guān)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(guān)系溫度釬焊接頭電阻與電流之間關(guān)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(wěn)態(tài)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(wěn)定，說明銅引線段無過熱現(xiàn)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(biāo)是EAST等大型磁體的試驗杜瓦，故選擇20kA。 設(shè)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(shù)據(jù)和關(guān)鍵的工藝經(jīng)驗。 1)采用銀金包套Bi-2223超導(dǎo)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(chuàng)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(dǎo)帶的設(shè)計，增加超導(dǎo)帶堆的數(shù)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(fā)揮低溫下Bi-2223帶載流能力提高，采用下端層數(shù)遞減的方案，有利于降低成本和減小漏熱。 設(shè)置磁屏蔽，減小橫向外磁場對超導(dǎo)材料Ic的影響。 對于銅電流引線設(shè)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(lián)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)采用Bi-2212管和Bi-2223帶僅采用Bi-2223超導(dǎo)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(dǎo)管臨界電流9052A77K，自場70K下Ic可達(dá)20kABi-2212管與Bi-2223帶復(fù)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(dǎo)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(dǎo)帶組成的HTS電流引線采用Bi-2223帶目標(biāo)是應(yīng)用國產(chǎn)材料第23頁/共47頁HTS Module Solderedinto A Copper Capwith InBi34wt.%用48疊Bi2223/AgAu超導(dǎo)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(dǎo)帶的釬焊，試驗證明：如果采用普通電烙鐵

14、會使超導(dǎo)帶性能退化一半或更多。 最終我們用電加熱帶，經(jīng)調(diào)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(nèi)焊接，保證了焊接質(zhì)量。 采用何種焊料也是難點之一。最后，我們根據(jù)超導(dǎo)材料供應(yīng)商的建議和我們的工作條件確定：Bi2212管與超導(dǎo)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(dǎo)帶堆的釬焊效率提高，設(shè)計了專用模具。 從HTS電流引線性能測量結(jié)果表明，各超導(dǎo)帶電流分布較均勻，無退化現(xiàn)象。接頭電阻值也屬正常。故說明釬焊的技術(shù)難關(guān)已經(jīng)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(yōu)點電流引線的優(yōu)點1.常規(guī)電流引線受Weidemann-Franz定律的制約：kr=LT, 凡低熱導(dǎo)的材料，其電阻率大，使焦耳熱增加，優(yōu)化設(shè)計的氣冷電流引線熱負(fù)荷為1.15W/kA,或消耗LHe0.05g/s/kA。2.HTS的熱導(dǎo)率比不銹鋼還低得多（其實際熱導(dǎo)率取決于包套或分流器），而在4.5-70K溫區(qū)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(qū)的熱負(fù)荷。3.常規(guī)電流引線的熱負(fù)荷占低溫超導(dǎo)磁體全部熱負(fù)荷的70-90%，減小它的熱負(fù)荷作用明顯。4.根據(jù)ITER設(shè)計報告，采用HTS電流引線使低溫系統(tǒng)運行費減小52%，降幅很大。5.低溫系統(tǒng)的制冷量可相應(yīng)減小，大幅度減小設(shè)備投資，據(jù)ITER設(shè)計報告，可降低54%，6.HTS電流引線是真正已產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益的高溫超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用，倍受人們歡迎。諸如電纜、變壓器和電機(jī)的HTS應(yīng)用,用戶還覺得太貴和增加技術(shù)的復(fù)雜性。第30頁/共47頁各種材料的熱導(dǎo)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(fù)荷相當(dāng)于3臺俄羅斯500W/4.5K制冷機(jī)的液氦產(chǎn)量。若設(shè)計得保守可能會高達(dá)20g/s。采用HTS電流引線，其合計熱負(fù)荷降為其合計熱負(fù)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(qū)動

19、功率不得不增加，此項熱負(fù)荷將高達(dá)400W/4K。 上述熱負(fù)荷的增加，已超出2kW/4K制冷機(jī)的制冷量，如果不采取必要的措施將來不可能穩(wěn)定運行。 HT-7U低溫系統(tǒng)要增容是相當(dāng)困難的，因為透平膨脹機(jī)制冷量有限，換熱器對流量也有限制，不可能光憑增加壓機(jī)的流量就能達(dá)到目的。指揮部提出并聯(lián)俄羅斯制冷機(jī)，其氣密性和穩(wěn)定度都成問題，并非是切實有限的可行措施。 從節(jié)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(dá)7000元/天。從設(shè)備增容考慮將花費數(shù)百萬元,還需投入安裝調(diào)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(shè)計方案初步設(shè)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(dān)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(dǎo)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(fù)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(jù)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(guān)），這需消耗液氮蒸發(fā)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(fù)荷不大時消耗一些液氮作補(bǔ)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(fā)進(jìn)展和現(xiàn)狀

22、電流引線研發(fā)進(jìn)展和現(xiàn)狀美AmSC可供產(chǎn)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(chǎn)品13kA2000年完成實際達(dá)到15kABi-2212管 ForCERNLHCSuperPower可供產(chǎn)品13kA2000年完成Bi-2223帶 ForCERNLHC日J(rèn)AERI14.5kA1999年完成Bi-2223帶 ForITER德FZK20kA，2000年完成實際最大達(dá)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(dǎo)帶CryoBlock數(shù)據(jù)低熱導(dǎo)率的銀金合金包套起分流器穩(wěn)定作用高梯度磁分離用超導(dǎo)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(jī)傳導(dǎo)冷卻，使用戶十分方便。近年國內(nèi)也有類似產(chǎn)品問世。第37頁/共47頁美AmSC商用HTS電流引線產(chǎn)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(fā)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