6 k A高温超导电流引线研制

刘承连 丁开忠 周挺志 冯汉升 刘 翔 许昌军经凯明 陆 坤 宋云涛

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

1 引言

电流引线是室温电源与低温磁体之间的电连接装置。对于大型超导磁体，常规电流引线是向低温系统漏热的主要热源。采用高温超导段结构的电流引线与常规电流引线相比，能够有效降低冷端热负荷，减少约2/3氦消耗，进而降低制冷设备投资和运行费用。随着Bi-2223/AgAu带材的商业化和性能的提高，高温超导电流引线在世界上越来越多的大型工程中得到发展和应用。例如KIT为ITER研发的70 kA电流引线，换热器段采用50 K氦气冷却，低温超导段采用4.5 K SHe冷却［1］;CERN 的 LHC 装置上6¯13 kA电流引线，换热器段采用20 K氦气冷却，低温超导段浸泡在液氦中［2］以及中国科学院等离子体物理研究所(等离子体所)为ITER研制的10¯68 kA电流引线，换热器段采用20¯50 K的氦气冷却，其中68 kA电流引线试验件的载流能力达到了90 kA［3］。同时，采用液氮冷却型的高温超导电流引线也得到了广泛发展，例如中国科学院等离子体所为EAST装置研制的15 kA电流引线和为国家强磁场中心研制的16 kA 电流引线［4-5］。

当前，俄罗斯JINR研究所正在进行一个大型加速器装置NICA的建设，整个加速器磁体需要约40对电流等级为1¯12 kA的电流引线和约300对百安级电流引线。2012年以来等离子体与JINR研究所签订了多批高温超导电流引线研制合同，截止2014年底已为其研制了6对6 kA和4对12 kA电流引线并成功通过了俄方现场验收测试，今年还将交付2对6 kA和4对12 kA电流引线，这些电流引线的换热器段采用液氮冷却运行温区为77 K室温，高温超导段为传导冷却，运行温区为5¯77 K。本文主要介绍6 kA电流引线的结构设计、性能分析，以及相关低温实验结果。按照合同要求，所有电流引线完成制造装配后，必须进行绝缘耐压、气密性、低温下的漏热、载流能力、安全性能等参数进行测试，6 kA电流引线的主要设计参数见表1。

表1 6kA电流引线主要设计参数Table 1 Main parameters for 6 k A current lead

2 结构设计

6 kA电流引线总长1.23 m，其结构如图1所示。主要包括:(1)室温终端，通过U型铜排与电源电缆连接，为避免电流引线运行过程中终端铜头过热或过冷结霜，铜头内部采用水冷设计。(2)绝缘法兰，下端与杜瓦盖板连接，法兰骨架为不锈钢结构，管壁外焊有多个加强环，骨架表面包绕绝缘材料并在真空中加热固化。(3)换热器段，采用翅片式结构，翅片高度16.5 mm，换热器有效长度0.5 m，采用液氮冷却，氮在翅片间不断流动进行换热。(4)高温超导(HTS)段，主要由28根高温超导叠分成14组焊接到不锈钢分流器的14个槽中构成，每根超导叠由5层英纳公司的Bi-2223/AgAu超导带真空焊接而成。(5)低温超导(LTS)段，采用JINR研究所的Nuclotron cable与冷端铜头压力焊接而成，Nuclotron cable结构见图2，LTS上端与HTS的接头截面如图3所示，低温超导线位于5 K冷端铜头槽中，并分别与铜头和超导叠焊接。

图1 6 kA电流引线结构图Fig.1 Drawing of integrated 6 k A current lead

图2 Nuclotron cable三维结构Fig.2 3-D model of nuclotron cable

图3 HTS-LTS接头截面Fig.3 Cross section of HTS-LTS joint

3 载流和漏热分析

6 kA电流引线最大载流要求为8 kA，高温超导段运行温区5¯77 K，冷端漏热要求小于3 W。其高温超导段主要由Bi-2223超导叠(stacks)和不锈钢分流器(shunt)构成。分流器主要作用是支撑超导叠和当超导叠一旦失超时分流一部分电流并抑制超导叠快速升温，由于不锈钢热导率很低，用其作为分流器可以大大减小超导段的冷端漏热。6 kA电流引线超导段长度、截面积参数见表2。分流器采用变截面设计，适当增加热端厚度有利于有效延长失冷(LOFA)安全时间。

表2 高温超导段长度与截面积参数Table 2 Length and cross section of HTS module

图4 77 K下超导带临界电流与垂直场关系Fig.4 I c(B⊥)normalized to the I c(self-field)at T=77 K for Bi-2223 tape

3.1 HTS 载流分析

高温超导段的载流能力是电流引线的一个重要参数，由于Bi-2223超导带材临界电流对垂直宽面的磁场比较敏感，超导叠被紧密布置在一个圆形的分流器外筒上。77 K下超导带临界电流与磁场的关系见图4(失超判据1μV/cm)，将带内的超导填充简化为3.86×0.17 mm2的矩形模型，可得到临界电流为110 A的超导带平均电流密度与垂直场关系式

根据电流密度与垂直场关系，利用 ANSYS PLANE13二维电磁分析模块对6kA电流引线超导段进行电磁迭代分析，可得到HTS段处于临界电流时的空间磁场分布和电流密度分布［6］。

6 kA电流引线HTS段临界电流时的电流密度分布如图5所示，从图中可以看出，各槽的中部电流密度较大，槽与槽之间受漏磁影响电流密度较小。对所有超导带节点的电流密度积分可得77K下HTS段载流能力为10.9 kA，各槽平均载流779.9 A。

图5 HTS段电流密度分布Fig.5 Distribution of critical current density of HTSmodule

3.2 冷端漏热分析

不锈钢(304)分流器和超导叠的热导率曲线如图6所示。高温超导段在传导冷却下，冷端漏热是分流器与高温超导叠两部分之和

式中:kstacks为超导叠为超导叠的热导率，W/m˙K;kshunt位分流器的热导率，W/m˙K;Astacks为超导叠的截面积，mm;Ashunt为分流器的截面积，mm;Q0为冷端漏热，W;d T/d x为高温超导段轴向温度梯度。当高温超导段温度场稳定后，冷端漏热将不再随位置变化

图6 分流器和超导叠的热导率Fig.6 Thermal conductivity of stainless steel and HTS stack

超导段冷端温度T0、热端温度T0'一定时，利用MATLAB软件求解以上两式组成的微分方程组可得到高温超导段上的温度分布和冷端漏热(图7)，当超导段稳定运行在5¯77 K温区时的冷端漏热为2.3 W。

图7 超导段温度分布Fig.7 Temperature curves of HTS module

4 低温实验与结果

6对6 kA电流引线完成制造后，分别在2014年3月至9月对这些电流引线进行了氦回路的30×105Pa耐压实验、法兰5.6 kV下的高压实验、以及低温性能实验，图8¯9分别为装配完成的6 kA电流引线低温冷却流程和低温实验平台。电流引线低温超导端通过一个U型的低温超导部件短接，采用液氦对电流引线的5 K冷端进行冷却;换热器段采用液氮进行冷却;恒温器冷屏通过一个单独的液氮杜瓦供冷。系统降温到位后，对每对电流引线分别进行了零电流下漏热、6 kA稳态运行与LOFA测试、以及8 kA过流能力测试等实验项目。6 kA电流引线的主要实验结果如表3所示，零电流下液氮需求低于0.46 g/s，5 K冷端漏热小于2.5 W，过流实验电流8 kA。

图8 6 kA电流引线低温冷却流程Fig.8 Cooling diagram of 6 kA current leads

图9 6 kA电流引线低温实验平台Fig.9 Test bed of 6 kA current leads

表3 6 k A电流引线主要实验结果Table 3 Main test result of 6 kA current leads

5 总结

6 kA高温超导电流引线实验结果表明电流引线的各项参数满足JINR的设计要求。6 kA电流引线所获得的诸多进展为接下来的6 kA和12 kA电流引线以及其它装置上的液氮冷却型电流引线的研制和批量生产积累了更多的设计、制造和测试经验。

1 Helle R R，Darweschsad SM，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 Ballarino A，Martini L，Mathot S，et al.Large scale assembly and characterization of Bi-2223 conductors［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2007，17:3121.

3 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.

4 毕延芳.EAST装置15kA高温超导电流引线研发［J］.低温物理学报，2005(2):1074-1079.Bi Yangfang.R＆D on 15kA HTS current leads of EAST TOKAMAK［J］.Chinese Journal of Low Temperature Physics，2005(2):1074-1079.

5 Bi Y，Ding K，Feng H，et al.Development of 16 kA HTS current leads for 40 T hybrid magnet application［J］.Journal of Physics，2014，10:1088

6 Liu C，Bi Y，Ding K，et al.Investigating the 10 kA HTSModule of the ITER Current Leads［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2012，22:1051.