HTS电流引线可行性论证.pptx

20kA HTS 电流引线试验结果电流引线试验结果 和在和在EAST装置应用装置应用20 kA HTS 电流引线在 LN2温度试验结果20kA电流引线特点和所选择的两种HTS材料制造工艺难点的攻克和铜电流引线段HTS电流引线的优越性EAST低温系统的制冷量短缺采用HTS电流引线对EAST低温投资节省和运行费减少估计国外HTS电流引线研发进展结语Yanfang Bi受试的受试的20kAHTSCurrentLeads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。电位引线标号及测量点位置电位引线标号及测量点位置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。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电流时电位差已达80mV，估计优化运行电流为12kA。78K78K液氮冷却的液氮冷却的HTSHTS段段V VA A曲线曲线78 70K78 70K液氮冷却的液氮冷却的HTSHTS段段V VA A曲线曲线70.7K70.9K71.5K71.7K71.9K71.9K72.7K78K78K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。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20kA HTS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力，有利于减压降温。20kA HTS Current leadsfor test facility20kA HTS电流引线结构采用采用Bi-2212管和管和Bi-2223带带仅采用仅采用Bi-2223超导带超导带MCP Bi-2212 Tube made by Nexans SuperConductors Tc90-92KIc9.05kAatself-field,77KOD80mmID65mmL200mmRcontact0.09-0.14mWat77KHeatLeak70A77K,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Bi-2223 tapes soldered withBi-2212 tube in a vacuum vesselBi-2212 module solderedto copper cap with InBiAg-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:0.10%*,*Min.Ic:100 A*at 77K,self-field,1V/cm,*With 95%Ic retention *WithnobacktensionAmSCCritical 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.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Support Cylinder of NTS CurrentLead With 48 GroovesBrassCylinderCopperEndRingSoldering in a Vacuum Vessel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。Copper Lead SectionWith Helical FinHeat ExchangerVacuum jacketsComparison of Two Possible OptionsOptionI:Bi-2212tubeheatloadlower,userprocessissimple,butitisbrittlematerial.OptionII:AgAualloymatrixBi-2223tapesbettersafetywhencoolantstoppage,lowercontactresistance,butsolderingprocessshouldbecareful.AgAualloymatrixBi-2223tapeswillbeselectedforallofEASTcurrentleads.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：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。各种材料的热导率比较Ag-Au5wt%Current Lead Requirementof EAST Tokamak16ToroidalFieldCoils16.5kA26CenterSolenoidCoils15kA128PoloidalFieldCoils15kA12Total Requirement:393 kAEASTEAST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/sLHe，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。15kA HTS Current LeadFor EAST Tokamak70KLN2orGN258KGHe65KGHeHTSsectionConnectorforCICCN2vaporcooledcoppersectionInsulationpartsVacuumjacketNbTi/CuSCwires初步设计方案初步设计方案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plasmachamber 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。国外HTS电流引线研发进展和现状美AmSC可供产品5kA1996年完成10kA1998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）Matrix:Ag/Au(5.3 wt.%Au)Thickness(avg):0.22(+/-0.02mm)Width(avg):4.3(+/-0.2mm)Min.Ic:100A*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。美AmSC商用HTS电流引线产品AmSCAmSC的的5kA5kA电流引线电流引线SuperPower公司已研发成公司已研发成13kA HTS电流引线电流引线德国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,resistive part of the lead is cooled by forced flow helium gas.The prototype current leads are completed and have been successfully tested up to 15 kA.德德FZK的的20kA HTS电流引线电流引线由由2个长度个长度600,直径直径74的的10kA Bi-2223/Ag-Au合金元件并联组成合金元件并联组成85K下下Iquench30kA,最大试验电流达最大试验电流达40kA,接近临界电流接近临界电流沿沿HTS电流引线长度的温度分布电流引线长度的温度分布（FZK的20kA电流引线）FZK 70kA HTS Current LeadConsistsoftwoHTSmodules,andwillbetestedin2004Spring。结语结语2条20kAHTS电流引线的载流能力：在78K时可稳定在13kA，采用CryoBlock的组件性能更高。在70K时，二者都处于超导态，超导段1mV/cm。说明超过了20kA/70K的设计要求，保证可靠运行。基于此试验结果，我们对EAST装置的13对电流引线采用HTS有十分的成功把握。在设计和制造方面已积累了经验。大电流HTS电流引线的制作只要钎焊时升温不过快，其性能可不退化。在70-78K接头电阻为52-146nW，与国外数据可比。说明我们采用的接头焊料和工艺是可行的。铜电流引线的优化运行电流12kA，低于设计的期望值16kA接近，可能铜的杂质含量高于T2标准。建议：EAST装置采用装置采用HTS电流引线电流引线。Thank You