刘承连 丁开忠 周挺志 冯汉升 陆 坤 宋云涛

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

液氮传导冷却型高温超导电流引线研制

刘承连 丁开忠 周挺志 冯汉升 陆 坤 宋云涛

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

80 A和200 A液氮传导冷却型高温超导(HTS)电流引线由铜引线段、中间过渡段和高温超导段组成，HTS热端采用液氮传导冷却，HTS冷端采用液氦传导冷却。铜引线段工作在室温到中间温度(～80 K)，高温超导段工作温区6—80 K。介绍该传导冷却型电流引线的结构设计和低温性能测试。实验结果表明,中间过渡段温度～78 K，高温超导热端温度77 K；80 A、200 A电流引线液氦下稳态测试电流分别为100 A和250 A。

Bi-2223 高温超导电流引线 液氮冷却 漏热

1 引 言

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；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；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—68kA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[1-3]。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，为俄罗斯JINR研究所的重离子加速器装置NICA研制的6 kA/12 kA电流引线，以及为国家强磁场中心研制的16 kA电流引线[4-5]。

当前，中国科学院近代物理研究所与中国国内相关单位正在开展强流质子加速器驱动洁净核能系统(ADS)的研制工作。其中ADS注入器II含有4个低温恒温器CM6，每个CM6包含有6个超导磁体，每个超导磁体含有2对80 A、1对200 A的电流引线，共计72对电流引线。等离子体所于2014年底开始为其研制高温超导电流引线，经过多轮的低温试验和优化设计后，最终确定了设计方案，并于2015年10月底研制了13组(26对80 A和13对200 A)电流引线并成功通过了相关液氦和液氮下的性能测试。这些电流引线的主要特征是：(1)结构模块化：电流引线的下段采用超导材料降低漏热，上段采用铜引线，电流引线高温超导段热端和冷端分别采用液氮和液氦进行传导冷却。(2)低漏热：1组(4根80 A，2根200 A)电流引线安装后高温超导段冷端漏热小于0.4 W。(3)有一定的过流能力: 电流引线额定电流80 A/200 A；HTS段在液氮温度下的载流能力>2倍额定电流；考虑到铜引线段的优化设计电流为80 A/200 A，当HTS热端温度≤80 K情况下：电流引线长时间运行电流可达100 A/250 A。(4)中间过渡段铜板的冷却：中间温度段铜板通过“铟片-氮化铝垫片-铟片”的叠加顺序与液氮槽相连，氮化铝垫片和铟片尺寸与中间温度段铜板相匹配，使中间温度段铜板与液氮槽之间既良好导热又电绝缘。(5)布局紧凑且使用方便，只需对每组6根电流引线的液氮槽连接液氮进口和氮气出口，不需考虑引线之间及管路的绝缘。80A/200A电流引线的主要设计参数见表1。

表1 80 A/200 A电流引线主要设计参数Table 1 Main parameters for 80 A/200 A current lead

2 结构设计

电流引线总长1.17 m，装配好的1组高温超导电流引线结构如图1所示，4根80 A和2根200 A电流引线周向均匀排布在中间的液氮储槽周围。主要包括：(1)室温端与冷端绝缘电极，为了同时实现载流、较高的真空密封和较好的绝缘要求，采用带陶瓷绝缘子的电极设计，陶瓷绝缘子两端通过可伐材料分别与不锈钢法兰板和中心铜电极焊接。(2)铜引线段，分别采用4 mm和6 mm的铜棒作为80 A与200 A的铜引线段。将铜棒退火后绕制成型，再分别与室温端绝缘电极的冷端和铜引线冷端的转接头进行银铜焊。(3)过渡段，其主要功能包括对铜引线与HTS段的电连接、对铜引线的热截止和对液氮储槽的电绝缘。采用10 mm厚、150×60 mm2的紫铜板设计，通过氮化铝绝缘导热垫片与液氮槽外表面压接。(4)高温超导(HTS)段，主要由6根高温超导叠焊接到6个不锈钢分流器槽中构成，高温超导叠由多层Bi-2223/AgAu超导带真空焊接而成。(5)低温超导+铜段，采用4根NbTi低温超导线与RRR值50的铜导冷带并联，两端分别与HTS段冷端铜头和冷端绝缘电极焊接而成。(6)中间液氮储槽，主要用于对铜引线进行热截止。储槽中部为铜结构，两端与两个不锈钢封头真空钎焊而成，分别通过底部管路对储槽补液，顶部管路给储槽排气。

图1 80 A、200 A电流引线结构图Fig.1 Drawing of integrated 80 A & 200 A current lead

3 液氮下载流测试

为了检验高温超导段的载流能力和对电流引线制造过程的质量控制，在整体装配前需对所有电流引线的高温超导段进行了液氮下的临界电流测试，对于不能满足液氮下载流能力1.5倍裕度(120 A和300 A)设计要求的HTS段，不能装配到电流引线上。测试电源采用安捷伦1 000 A(精度0.05%)、3.3 V的直流电源；采用精度八位半的吉时利2002数字万用表采集HTS段电压；通过研华USB-4716的数字电压输来控制电源断电进行失超保护。载流测试装配如图2所示，将多根HTS段串联在一起连接到电源母排上，采集HTS段在液氮下通电时的电压数据，当达到预定的失超保护参数(2 mV)时电源断电。

图2 高温超导段载流测试装配Fig.2 Test assembling of HTS module

图3为一组4根HTS段的电位差和电流关系曲线。从曲线可以看出，当电流值小于超导段的临界电流时，电压为零表明它处于超导态；当电流值接近及超过临界电流时电压快速上扬增长。图4是以2 μV/cm的高温超导段失超判据测得的80 A/200 A高温超导段临界电流值柱状图，1-52号和53-78号分别为80 A和200 A高温超导段测试结果，平均值分别为361 A和482 A，最小值分别为295 A和385 A，满足载流能力大于120 A和300 A的设计要求。

图3 80 A高温超导段V-I曲线Fig.3 V-I curves of 80 A HTS module Ic test

图4 80 A/200 A高温超导段临界电流统计Fig.4 Ic of 80 A/200 A HTS module at 77 K self field

4 液氦下性能测试

这些电流引线完成制造和总体装配后，选取了首组(4根80 A，2根200 A)电流引线进行了液氦低温下的性能实验，图5—6分别为电流引线低温冷却流程和低温实验平台。6根电流引线的冷端绝缘电极装配到一个液氦罐的法兰盖板上，实验时通过液氦管路往罐内通液氦对低温超导段和HTS冷端进行传导冷却；中部的液氮罐通过一个气液分离器将分离后的液氮对罐体供冷和补液；氦和氮回气分别通过罐体顶部管路排出杜瓦；6个室温绝缘电极装配到杜瓦上盖板上。分别通过室温铜头顶端和底部的低温电极末端将80 A电流引线和200 A电流引线串联成两个回路进行载流测试。系统降温到位后，对80 A和200 A电流引线分别进行了不同电流下的载流测试和过流能力测试等实验项目。

图5 测试工装与冷却流程示意图Fig.5 Test setup and cooling diagram

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

实验前的系统装配和测量控制准备完成后，开始对杜瓦抽真空，当真空度达到10-3Pa量级时，开始对引线中部的液氮罐供液氮降温。当HTS冷端传导冷却至约150 K时，对底部液氦罐通液氦降温。系统降温到位后，分别对80 A和200 A电流引线进行0电流、额定电流和过电流下的性能测试。图7—10分别为80 A和200 A电流引线在不同载流下的温度和电位分布曲线。从图7和图9中可以看出，在不同电流下运行时，80 A、200 A电流引线的HTS热端温度能够稳定在～77 K，HTS冷端温度稳定在～7.5 K。80 A、 200 A电流引线分别在100 A和200 A稳态时的室温终端温度约为305 K和310 K。从图8和图10中可以看出，在不同电流下运行时， HTS段电位差比较平稳，未出现失超；80 A和200 A电流引线分别在100 A和200 A运行稳定后，铜引线段电位分别为53 mV和43 mV。

图7 80 A电流引线在不同电流下的温度分布曲线Fig.7 Temperature curves of 80 A current leads

图8 80 A电流引线在不同电流下的电位分布曲线Fig.8 Voltage drops of 80 A current leads

图9 200 A电流引线在不同电流下的温度分布曲线Fig.9 Temperature curves of 200 A current leads

图10 200 A电流引线在不同电流下的电位分布曲线Fig.10 Voltage drops of 200 A current leads

5 总 结

由于Bi-2223高温超导段设计时的分流温度通常不会超过90 K，因此液氮传导冷却型高温超导电流引线对边界温度和温度的稳定性要求较高。本文中80 A和200 A设计具有结构模块化、低漏热、布局紧凑等特点。实验结果表明高温超导段在液氮温度下的载流能力远超过设计要求的1.5倍裕度，电流引线整体装配后顺利通过了不同电流下的液氦实验和100 A、200 A稳态运行实验， 过渡段铜块温度能够稳定在～78K，HTS热端温度能够稳定在～77 K，各边界点的温度稳定，电流引线整体运行平稳。液氮传导冷却型电流引线所获得的诸多进展为接下来的80 A、200 A电流引线，以及其它装置上对温度控制要求较高的传导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 Heller R, Darweschsad S M, 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 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.

3 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.

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 Yanfang. R&D on 15kA HTS current leads for 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):1088-1092.

Development on liquid nitrogen conduction-cooled HTS current Leads

Liu Chenglian Ding Kaizhong Zhou Tingzhi Feng Hansheng Lu Kun Song Yuntao

(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

The liquid nitrogen conduction-cooled 80 A & 200 A HTS current leads are composed of copper wire section, transition section and HTS section. The copper wire section (80 K to room temperature) is conduction-cooled by liquid nitrogen, and the HTS section (6 K to 80 K) is conduction-cooled by liquid helium at cold end. The design and test of the conduction-cooled current leads were introduced. The test results show that the temperature of transition section is about 78 K, and the HTS warm end temperature is 77 K; the 100 A and 250 A steady-state tests have been performed in liquid helium for the 80 A and 200 A current leads.

Bi-2223; HTS current lead; nitrogen cooling; heat leak

2015-12-28；

2016-02-15

科研合作项目-80A/200A高温超导电流引线研制(KD 201508X)。

刘承连, 男, 32岁, 博士。

TB69，TM26

A

1000-6516(2016)01-0059-05