D型2G高溫超導(dǎo)雙餅線圈的研制與實(shí)驗(yàn)

瞿青云 馬媛媛 劉華軍 陳敬林 陳環(huán)宇

(中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031)

1 引言

能源問題是關(guān)系到人類社會(huì)未來(lái)發(fā)展的重要問題。傳統(tǒng)的化石燃料不僅儲(chǔ)量有限，并且其在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳，引起溫室效應(yīng)，破壞全球氣候平衡。與化石燃料相比，核聚變反應(yīng)所需要的燃料氘可直接從海水中提取，儲(chǔ)量極為豐富;并且聚變核反應(yīng)堆本身是安全的，沒有核泄漏、核輻射等潛在威脅。開發(fā)核聚變能是未來(lái)能源技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，利用超導(dǎo)托卡馬克裝置實(shí)現(xiàn)磁約束核聚變是人類探索和平利用核聚變能的一條重要途徑。

20世紀(jì)50年代初期，前蘇聯(lián)科學(xué)家提出托卡馬克的概念。1954年，第一個(gè)托卡馬克裝置在原蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫原子能研究所建成。此后，歐洲、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家先后建立自己的托卡馬克裝置。

中國(guó)核聚變能研究始于20世紀(jì)60年代初。自20世紀(jì)70年代開始，集中選擇了托卡馬克為主要研究途徑，先后建成并運(yùn)行了小型 CT-6、KT-5、HT-6B及較大一些的HL-1M。1991年，中國(guó)開始開展超導(dǎo)托卡馬克發(fā)展計(jì)劃，探索解決托卡馬克穩(wěn)態(tài)運(yùn)行問題。EAST裝置是中國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的國(guó)際首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，于2006年1月建成，其主機(jī)主要由超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、真空室、冷屏、外真空杜瓦以及支撐結(jié)構(gòu)組成。2006年9月成功進(jìn)行了等離子體放電試驗(yàn)，成功獲得了電流超過200 kA，時(shí)間近3秒的高溫等離子體放電。

在全超導(dǎo)磁約束托卡馬克裝置中，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)是關(guān)鍵。磁體系統(tǒng)主要由縱場(chǎng)線圈、極向場(chǎng)線圈、中心螺線管線圈、校正場(chǎng)線圈等多種功能的磁體線圈組成。中國(guó)自主研發(fā)的全超導(dǎo)托卡馬克裝置，其超導(dǎo)材料全采用NbTi超導(dǎo)股線。ITER(International thermonuclear Experimental Reactor)TF(Toroidal Field)及CS(Central Solenoid)磁體最高磁場(chǎng)達(dá)12 T，超導(dǎo)材料采用Nb3Sn超導(dǎo)材料。隨著聚變裝置運(yùn)行參數(shù)的不斷提高，對(duì)超導(dǎo)材料的性能要求也越來(lái)越高，要求能產(chǎn)生更高的磁場(chǎng)。未來(lái)的聚變示范堆和商用堆，其功率可高達(dá)2 GW，磁場(chǎng)大于15 T。與Nb3Sn材料相比，高溫超導(dǎo)材料 YBCO具有更高的臨界磁場(chǎng)［1］，本征釘扎能力強(qiáng)、各向異性比較弱，可以在20 K溫區(qū)附近較高磁場(chǎng)下有較大臨界電流，具有較好的磁場(chǎng)性能，且其潛在的低制備成本和較少的交流損耗也有明顯的優(yōu)勢(shì)，有希望替代Nb3Sn材料。

本文開展了高溫超導(dǎo)帶材進(jìn)行D型磁體的研究，介紹了D型2G HTS線圈的制作工藝，并通過液氮實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行研究與分析，檢驗(yàn)線圈研制工藝可行性與可靠性，為探索高溫超導(dǎo)材料在聚變裝置中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究。

2 D型雙餅線圈研制

2.1 HTS 帶材參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所采用的是二代YBCO帶材，與一代BSCCO帶材相比，二代YBCO帶材各向異性較弱，臨界溫度更高，載流能力更強(qiáng)且磁場(chǎng)下超導(dǎo)特性更好。為使磁體內(nèi)部非超導(dǎo)接頭數(shù)目盡可能減少?gòu)亩鴾p少磁體內(nèi)部熱干擾，提高磁體運(yùn)行穩(wěn)定性，D型線圈采用雙餅結(jié)構(gòu)［2］。繞制雙餅線圈的超導(dǎo)帶材采用美國(guó)AMSC公司生產(chǎn)的YBCO高溫超導(dǎo)帶材，其基本參數(shù)見表1。圖1為廠家提供的該帶材在不同溫度下臨界電流-外加磁場(chǎng)特性曲線，其歸一化基值電流為90 A(77 K、0 T)。

表1 YBCO高溫超導(dǎo)帶材基本參數(shù)Table 1 Specifications of YBCO tapes

圖1 YBCO帶材不同溫度下的Ic-B特性曲線Fig.1 Curves of critical current versus magnetic field intensity of YBCO tapes with different temperature

2.2 D型線圈骨架

由于托卡馬克環(huán)向場(chǎng)磁體的磁場(chǎng)分布符合B∝1/R的規(guī)律，即磁通密度B正比于1/R。在這樣的磁場(chǎng)形態(tài)中，D型線圈電動(dòng)力在其中引起的應(yīng)力是純張力，無(wú)垂直方向的剪應(yīng)力，從受力角度來(lái)看，要優(yōu)于圓形線圈。D型線圈形狀可以用微分方程表示:

式中k為常數(shù)。由式(1)可以得到積分式如式(2)所示:

式中C是常數(shù)，決定D型線圈的位置。在確定D型線圈的平均內(nèi)半徑Ri和平均外半徑Ro的基礎(chǔ)上，對(duì)上述積分式積分可得到D型線圈的形狀參數(shù)。由于積分之后得到的是一條D型曲線，考慮到線圈研制實(shí)際情況，因此采用1段直線段及上下對(duì)稱的5段圓弧段近似代替D型線圈的形狀曲線，并據(jù)此確定D型線圈骨架結(jié)構(gòu)與參數(shù)，如圖2所示。

D型骨架采用導(dǎo)熱較好的黃銅材料加工，其外側(cè)裹附4層聚酰亞胺絕緣膠帶并修剪多余邊角至最終繞制尺寸，以此確保骨架的絕緣。圖3為經(jīng)絕緣處理后的D型骨架實(shí)物圖。

2.3 D型線圈繞制

圖3 絕緣處理后的D型骨架Fig.3 Frame of D-shaped coil after insulating treatment

由于廠家提供的YBCO帶材已覆有聚酰亞胺高強(qiáng)度絕緣膜，因此在繞制線圈時(shí)可不再做匝間絕緣相關(guān)處理。與圓形雙餅線圈一致［3］:D型雙餅線圈由兩個(gè)單餅組成，各自從YBCO帶材長(zhǎng)度中點(diǎn)恒張力反方向繞制;D型線圈繞制過程中，YBCO帶材會(huì)同時(shí)發(fā)生沿帶面及帶寬方向的兩種彎曲形變，可能造成帶材載流能力退化;線圈中的第一匝帶材由于同時(shí)發(fā)生兩種彎曲形變，其載流能力退化最嚴(yán)重。因此，盡可能減小繞制過程中YBCO帶材的彎曲形變是減小超導(dǎo)帶材載流能力退化、提高雙餅線圈性能的關(guān)鍵。

為此，在繞制D型雙餅線圈時(shí)，采用YBCO帶材環(huán)繞骨架彎曲一周的方法使帶材軸向移動(dòng)一個(gè)帶寬，完成一個(gè)單餅到另一個(gè)單餅的過渡，以減小帶材側(cè)向彎曲，其展開圖及實(shí)物圖如圖4所示［3］。同時(shí)，為降低線圈繞制風(fēng)險(xiǎn)與難度，將線圈帶材長(zhǎng)度中點(diǎn)位置定于D型骨架直線段中心，并采用特制繞線盒實(shí)現(xiàn)帶材從帶盒到骨架弧段、直線段的自然過渡。為保證線圈良好絕緣，在兩個(gè)單餅之間貼有0.2 mm厚環(huán)氧玻璃布絕緣片。

圖4 D型雙餅線圈過渡區(qū)Fig.4 Transition zone of D-shaped double pancake coil

由于磁體大多工作在一定磁場(chǎng)條件下，為防止YBCO帶材在電磁力作用下發(fā)生機(jī)械位移引起磁體失超，在繞制D型雙餅線圈時(shí)，應(yīng)在超導(dǎo)帶材上施加一定的拉伸應(yīng)力使帶材層間盡可能緊密且線圈兩側(cè)面盡量平整?？紤]到Y(jié)BCO帶材機(jī)械性能較差，拉伸應(yīng)力過大會(huì)損傷帶材內(nèi)部超導(dǎo)芯，導(dǎo)致帶材載流能力下降;應(yīng)力太小又會(huì)使雙餅線圈松散，不利于線圈整體性能的提高。因此，要選擇合適的拉伸應(yīng)力。根據(jù)YBCO基本參數(shù)(表1)及繞制經(jīng)驗(yàn)，采用力矩電機(jī)控制器調(diào)控電機(jī)加在YBCO帶材上的拉力，使拉力約為25ˉ30 N。需要注意的是，由于D型骨架的特殊形狀，相同拉力作用下繞制D型線圈直線段部分時(shí)轉(zhuǎn)速很快，容易造成直線段帶材層間松垮并與骨架分離。因此繞制D型線圈直線段時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制轉(zhuǎn)速以保證帶材緊密、貼合。

D型雙餅繞組的內(nèi)徑為122.4 mm×185.6 mm，外徑為199.4 mm ×262.6 mm，繞組徑向厚度 38.5 mm，軸向?qū)挾?0.5 mm。D形繞組平面中線(平均匝長(zhǎng))為636 mm，線圈設(shè)計(jì)匝數(shù)220匝，用美國(guó)超導(dǎo)公司生產(chǎn)的Amperium銅加強(qiáng)4.8×0.35 mm2截面YBCO高溫超導(dǎo)帶材導(dǎo)線140 m。實(shí)際完成的雙餅外徑尺寸和用線量略大于設(shè)計(jì)值。

2.4 D型雙餅固化

由于繞制時(shí)給YBCO帶材施加的拉伸應(yīng)力很難做到線圈層間不留空隙，因此，為防止磁體通電運(yùn)行時(shí)帶材的機(jī)械擾動(dòng)，增加磁體的機(jī)械穩(wěn)定性，需對(duì)繞制完成的D型雙餅線圈進(jìn)行固化，使其形成一個(gè)整體，以防止導(dǎo)線可能的運(yùn)動(dòng)。為保證磁體裝配裕度、減小研制風(fēng)險(xiǎn)，通過對(duì)每個(gè)D型雙餅線圈單獨(dú)進(jìn)行環(huán)氧樹脂浸漬ˉ室溫固化的方法完成線圈的固化處理。在對(duì)線圈進(jìn)行環(huán)氧浸漬前，先對(duì)兩端接頭進(jìn)行保護(hù)處理，然后用玻璃絲帶以2個(gè)半疊包方式將整個(gè)線圈纏繞固定:第一可防止線圈在浸漬固化過程中帶材發(fā)生松散;第二可讓環(huán)氧膠吸附在吸收力強(qiáng)的玻璃絲帶上而不易流出，使線圈充分浸漬，以保證線圈固化可靠性。圖5為固化處理后的雙餅線圈。

3 D型雙餅性能測(cè)試

超導(dǎo)線圈是組成磁體的基本單元，合格的雙餅是磁體成功的保證。因此，只有雙餅線圈的Ic、n值同時(shí)達(dá)到或接近所有雙餅的平均水平，并且在絕緣性、可裝配性等方面均達(dá)到要求，才能用于組裝磁體。在液氮溫度(77 K)下，采用四引線法［4］對(duì)固化后的D型雙餅線圈進(jìn)行性能測(cè)試，分析雙餅性能，檢驗(yàn)上述D型線圈研制工藝的可行性與可靠性。雙餅液氮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示，表2為17個(gè)D型雙餅線圈的性能測(cè)試結(jié)果。

圖5 固化處理后的雙餅線圈Fig.5 Double pancake coil after epoxy resin impregnation

圖6 雙餅線圈液氮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Liquid nitrogen experimental system of double pancake coil

與YBCO短樣帶材相比，D型雙餅線圈的臨界電流都有一定程度的減小，這是因?yàn)楫?dāng)雙餅線圈通流時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)作用使得其臨界電流有所下降(如圖1所示)。忽略由于線圈繞制時(shí)帶材承受的彎曲形變、拉伸應(yīng)力對(duì)其臨界電流的影響，根據(jù)廠家提供參數(shù)，可計(jì)算出繞制后的YBCO D型雙餅線圈在77 K、自場(chǎng)下的臨界電流約為50 A。

分析表2中各個(gè)D型雙餅線圈的性能參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn):除 Y2#、Y3#、Y4#、Y9#外，其它 13 個(gè)雙餅在77 K、自場(chǎng)下的性能良好且基本相同——其各自的臨界電流測(cè)試值均可達(dá)55 A以上，優(yōu)于理論計(jì)算值;此外，13個(gè)雙餅的n值均可達(dá)35以上，與短樣帶材參數(shù)相比基本無(wú)太大變化，長(zhǎng)線均勻性較好。

表2 研制的17個(gè)D型雙餅線圈性能測(cè)試結(jié)果(77 K、自場(chǎng))Table 2 Performance test results of D-shaped double pancake coils(77 K、self-magnetic field)

圖7 為Y2#、Y3#、Y4#、Y9#4 個(gè)雙餅線圈的 I-V 曲線，與其它性能相同的13個(gè)線圈相比(圖中以Y17#為例)，該四餅線圈具有超導(dǎo)性能，但均在電流為20ˉ30 A時(shí)就開始有轉(zhuǎn)變，且轉(zhuǎn)變趨勢(shì)非常緩慢，雙餅性能較差。與其它各餅相比，該四餅的研制工藝完全相同，回溯整個(gè)研制過程，沒有出現(xiàn)任何失誤，鑒于該四餅n值均過小，結(jié)合其出廠編號(hào)推斷該四餅線圈性能較差與其研制工藝無(wú)關(guān)，可能是由帶材本身長(zhǎng)線性能較差所致。

圖7 部分雙餅線圈I-V曲線(77 K、自場(chǎng))Fig.7 Current-voltage curve of double pancake coils(77 K、self-magnetic field)

綜上所述，該工藝制造的D型2G高溫超導(dǎo)雙餅線圈性能良好。

4 小結(jié)

詳細(xì)介紹了D型2G高溫超導(dǎo)雙餅線圈的加工工藝和流程，并在液氮溫度、自場(chǎng)條件下通過測(cè)量雙餅線圈的I-V曲線對(duì)其性能進(jìn)行分析與研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:除帶材本身因素外，該工藝制作的D型2G高溫超導(dǎo)雙餅線圈性能良好。為探索高溫超導(dǎo)材料在聚變裝置中的應(yīng)用做出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行了有益的實(shí)驗(yàn)積累。

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