20kA HTS 电流引线试验结果 和在EAST装置应用

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1 20kA HTS 电流引线试验结果 和在EAST装置应用
Yanfang Bi 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

2 受试的 20kA HTS Current Leads

3 试验策划 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。
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。

4 电位引线标号及测量点位置

5 20kA HTS电流引线液氮试验结果 在78K温度，Bi－2223带电流引线仍处于<1 mV/cm以下；而Bi－2212管与Bi－2223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，Bi－2212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；Bi－2223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，Bi－2223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。Bi－2212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Bi－2212棒的临界电流对磁场和温度的相互关系，可预言Bi－2212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。

6 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
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。 Nexans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60～70mV。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。

7 78K液氮冷却的HTS段V－A曲线

8 78 70K液氮冷却的HTS段V－A曲线 71.7K 71.5K 70.9K 71.9K 70.7K 71.9K 72.7K

9 78K温度钎焊接头电阻与电流之间关系

10 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。

11 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
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

12 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。
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。

13 20kA HTS Current leads for test facility

14 20kA HTS电流引线结构 采用Bi-2212管和Bi-2223带 仅采用Bi-2223超导带

15 MCP Bi-2212 Tube made by Nexans SuperConductors
Main Parameters Tc 90-92K Ic 9.05kA at self-field, 77K OD 80 mm ID 65 mm L 200 mm R contact mW at 77K Heat Leak < 0.5W

16 Current Capacity and Heat Leak of
Nexans SuperConductors MCP Bi-2212 Tubes

17 Data Sheet of Bi-2212 Tube

18 Critical Current vs Temperature of Bi-2212 Tube
Tc=90-92K Operating at 70K，the Ic increase about twice along the 0.05T curve. Temperature of Subcooled LN2 can be reduced down to 64K, so Tupper-end of 70K is possible。

19 Bi-2212管与Bi-2223带复合的HTS电流引线 Bi-2212超导管 104条Bi-2223超导带 临界电流9052A
@77K，自场 70K下Ic可达20kA 104条Bi-2223超导带 每条带临界电流>70A @77K, 自场。锦上添花

20 Bi-2212 Tube with a Shunt Made of Bi-2223/Ag-Au Matrix tapes
在Bi－2212管表面加2层Bi－2223/银－金合金超导带 如果38所真空钎焊，他们报价3~4万元/个

21 Bi-2223 tapes soldered with Bi-2212 tube in a vacuum vessel
Bi-2212 module soldered to copper cap with InBi

22 Ag-Au alloy sheathed Bi-2223 Tapes
AmSC CryoBlockTM Specifications: Matrix: Ag/Au  (5.3 wt. % Au) Thickness (avg): (+/- 0.02mm) Width (avg): (+/- 0.2mm) Critical Tesile Stress: 55 MPa*,** Critical Tensile Strain: 0.10%*,** Min. Ic: A* *   at 77K, self-field, 1µV/cm, **  With 95% Ic  retention *** With no back tension

23 Critical Current of Bi-2223 vs Temperature and Parallel Field
Ic(0.05T,70K)/Ic(0T, 77K) =~125%, so a critical of >24kA for 192 CryoBlock tapes is expected.

24 48×7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

25 HTS Module Soldered into A Copper Cap with InBi34wt.% 用48叠Bi－2223/AgAu
超导带制造的电流引线 与铜接线板之间的钎焊

26 Support Cylinder of NTS Current
Lead With 48 Grooves Brass Cylinder Copper End Ring

27 Soldering in a Vacuum Vessel

28 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：Bi－2212管与超导带和铜接头全部是InBi低温焊料；Bi－2223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。

29 Copper Lead Section With Helical Fin Heat Exchanger Vacuum jackets

30 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 tapes better safety when coolant stoppage, lower contact resistance, but soldering process should be careful. AgAu alloy matrix Bi-2223 tapes will be selected for all of EAST current leads.

31 HTS电流引线的优点 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。 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。 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。 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。 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%， 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。

32 各种材料的热导率比较 Ag-Au 5wt%

33 Current Lead Requirement of EAST Tokamak
16 Toroidal Field Coils 16.5 kA 2 6 Center Solenoid Coils 15 kA 12 8 Poloidal Field Coils Total Requirement: 393 kA

34 EAST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/s LHe，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<200W/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。

35 初步设计方案 15kA HTS Current Lead For EAST Tokamak Insulation parts
70K LN2 or GN2 58K GHe 65K GHe HTS section Connector for CICC N2 vapor cooled copper section Insulation parts Vacuum jacket 初步设计方案 NbTi/Cu SC wires

36 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T－7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plasma chamber 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。

37 美欧已可提供商品大电流HTS电流引线，但高价（DM~＄10万/对10kA）
美AmSC 可供产品 5kA 年完成 10kA 1998年完成 13kA 1998年完成 Bi-2223带 Tevertron加速器 FZK CERN 德ACCEL 13kA 2000年完成 实际达到15kA Bi-2212管 For CERN LHC SuperPower 13kA 2000年完成 For CERN LHC 日JAERI 14.5kA 1999年完成 For ITER 德FZK 20kA，2000年完成 实际最大达到40kA

38 低热导率的银－金合金包套起分流器稳定作用
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 Matrix: Ag/Au  (5.3 wt. % Au) Thickness (avg): 0.22 (+/- 0.02mm) Width (avg): 4.3 (+/- 0.2mm) Min. Ic: 100 A* 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。

39 美AmSC商用HTS电流引线产品

40 AmSC的5kA电流引线

41 SuperPower公司已研发成 13kA HTS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

42 制造商ACCEL Instruments GmbH
CERN 13kA电流引线的技术参数 制造商ACCEL Instruments GmbH Heat load to liquid helium kA A Contact resistance K K Time constant of current decay after detection of a quench (quench stability) s Overall length m External diameter mm Insulation test voltage in helium gas environment V 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.

43 德FZK的20kA HTS电流引线 由2个长度600 ,直径74的10kA Bi-2223/Ag-Au合金元件并联组成
85K下Iquench~30kA, 最大试验电流达40kA, 接近临界电流

44 沿HTS电流引线长度的温度分布 （FZK的20kA电流引线）

45 FZK 70kA HTS Current Lead Consists of two HTS modules, and
will be tested in 2004 Spring。

46 结语 2条20kA HTS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16 kA接近，可能铜的杂质含量高于T2标准。 建议：EAST装置采用HTS电流引线。

47 Thank You