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对于大型超导磁体,常规金属电流引线是向低温系统漏热的主要热源之一,它消耗了很大一部分冷却液体。高温超导氧化物材料具有零电阻率和低热导率的特性,使得采用高温超导材料的电流引线能够大大降低对低温系统的热负荷,进而降低制冷设备投资和运行费用。根据ITER设计报告,采用高温超导电流引线可以使其自身的低温系统制冷费用减小52%。高温超导段是电流引线的重要组成部分,因而开展高温超导段的研究具有重要和现实的意义。
ITER装置需要不同规格的电流引线共30对。本文主要针对ITER纵场线圈68kA电流引线试验件(以下简称ITER68kA电流引线)高温超导段进行电磁学研究和制作工艺开发。
ITER68kA电流引线高温超导段由90根银金基Bi-2223高温超导叠和复合式分流器焊接而成。由于这种高温超导带价格昂贵,机械性能脆弱,欧洲超导公司的超导叠价格几乎是超导带价格的两倍。因而掌握超导叠的制作工艺是非常有价值的。本文详细地探讨了超导叠的制作工艺,成功焊接了90根超导叠,并在液氮温度下测量了它们的临界电流,又利用ANSYS有限元软件计算了其临界电流值。根据超导叠的测量结果与ANSYS计算值比较,可以证实制作工艺是可行的。
垂直场对Bi-2223高温超导带的临界电流影响较大,因而对电流引线高温超导段的磁场分析非常必要。本文对68kA电流引线的高温超导段做了磁场分析,计算了其在实际运行温度下的载流能力,结果表明,高温超导段载流能力与68kA额定电流相比有足够的裕度。本文给出了超导段在68kA稳态运行情况下的垂直场分布,根据该分布,按超导叠的临界电流大小在高温超导段中的排列顺序做了优化,进而发挥高温超导叠的最大性能。
电流引线超导段各个部件间采用钎焊焊接,部件间的接头电阻会增大电流引线的焦耳热负荷,因而选用合适的钎焊焊料和工艺可以减小接头电阻。本文测试了5种不同熔点钎焊焊料在低温下的接头电阻,测试结果表明,其中的4种在低温下(<7K)具有超导性可用于电流引线的焊接。超导叠与分流器的焊接较为复杂,本文探讨了这部分焊接工艺,并成功地实现了二者的焊接。
本文最后简述了ITER68kA电流引线的测试方案。并针对它的低温试验测试结果,对高温超导段的稳态通电测试、分流温度测试和接头电阻测试结果进行了分析。结果数据表明高温超导段载流能力、温度裕度和接头电阻值都远远优于ITER的要求。