CN108022712A - 大型超导托卡马克磁体的分布式电流和冷质传输馈线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大型超导托卡马克磁体的分布式电流和冷质传输馈线，包括电流引线终端盒；两根高温超导电流引线被置入电流引线终端盒之中，并通过超导接头一与超导电缆一形成电连接；沿电流引线终端盒向内，与其连接的是过渡馈线组件；沿过渡馈线组件向内连接的是内部馈线组件。本发明提供的馈线之间互不干涉，可独立完成加工装配，其安装位置可布置在最适合与对应磁体连接的位置，降低了装配难度，节省了装置内部的连接空间，同时可依据建筑物布局分布在建筑物的不同层次，有利于实施日常维护。

Description

大型超导托卡马克磁体的分布式电流和冷质传输馈线
技术领域
本发明涉及到超导磁体技术领域，特别的涉及用于磁约束聚变装置超导托卡马克磁体,具体是一种适用于大型超导托卡马克磁体的分布式电流和冷质传输馈线。
背景技术
在典型的超导托卡马克磁约束聚变装置中，上亿摄氏度的高温等离子体被超导磁体形成的环状强磁场约束，悬浮在真空室内沿闭合的磁场线运动，构成了核聚变反应的基本环境。为了获得特定形状的空间磁场，超导托卡马克磁体系统由环向场超导磁体、极向场磁体、中心螺线管、校正场磁体等组成，这些超导磁体分布在托卡马克装置的不同位置。运行时首先需要向超导磁体提供特定温度的冷质，使超导材料具有超导电性，然后由外部电源系统向超导磁体提供特定的电流，最终建立起特定形状的空间磁场。此外为了监控超导磁体的运行状态，需要在超导磁体的特定位置布置特定数量的温度、电位等传感器，由信号测量线引出至监控系统中。
常规的技术手段中，提供给超导磁体的运行电流，以及提供给超导磁体的冷质一般采用集中式的结构形式。对于电流回路来说，电源系统通过室温铜电流排把电流传输至电流引线室温端，经过电流引线换热后，电流经一段超导传输电缆流入超导磁体的终端，并从超导磁体的另一个终端流出，接入其他的超导磁体终端，或通过另一组同样结构的超导传输电缆、电流引线、室温铜电流排回流至电源系统形成完整的电流传输回路。如图1所示，所有的电流引线集成安装在电流引线罐11中，所有超导传输电缆集成安装在电流传输线管道12中，电流引线罐11与电流传输线管道12连通，并最终与超导磁体杜瓦13相连。对于冷却回路来说，制冷机产生的不同温度、流量、压力的冷质经过特定匹配的低温阀门和低温传输线连接至不同超导磁体的冷却入口，冷质完成冷却后回流至制冷机完成回收，所有的低温阀门集成安装在低温分配阀箱14中，所有的低温传输线集成安装在低温传输线管道15中，低温分配阀箱14与低温传输线管道15连通，并最终与超导磁体杜瓦13相连。
虽然上述集中式电流和冷质的传输形式在超导托卡马克磁约束聚变装置中有过应用，但其结构只适用于中小尺寸的超导托卡马克，一般装置直径和高度低于10米。对于未来聚变堆使用的超导托卡马克，由于其装置直径与高度均达到或超过40米，且超导磁体与外部电源、低温、测控系统距离较远，集中式的电流和冷质传输已经无法满足超导磁体系统及托卡马克装置承载建筑的整体设计要求，且装配和维护成本高昂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于大型超导托卡马克磁体的分布式电流和冷质传输馈线，该馈线针对超导托卡马克中每一个或每一组超导磁体，分别设置一个独立的具有供电回路和供冷回路，并包含必要的信号采集通道，独立的馈线可以根据超导磁体的数量与位置，并依照承载超导托卡马克的建筑具体布局，分布在装置周围任何适当的空间位置；每一个馈线相互独立运行，这也就意味着托卡马克中的超导磁体或磁体组之间的供电、供冷互不干扰，这种做法有效的降低了馈线系统的安装难度，有力的减少了馈线系统的维护成本，极大的增加了馈线系统的运行稳定性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
大型超导托卡马克磁体的分布式电流和冷质传输馈线，包括电流引线终端盒；两根高温超导电流引线被置入电流引线终端盒之中，并通过超导接头一与超导电缆一形成电连接；
沿电流引线终端盒向内，与其连接的是过渡馈线组件；从电流引线终端盒延伸至此的超导电缆一通过超导接头二与过渡馈线组件中的超导电缆二连接，低温传输管路与过渡馈线组件中的低温传输线管路密封焊接，诊断信号线传输管路一与过渡馈线组件中的诊断信号线传输管路二密封焊接；
沿过渡馈线组件向内连接的是内部馈线组件；超导电缆二通过超导接头三连接至内部馈线组件中的超导电缆三，低温传输线管路和诊断信号线传输管路二通过密封焊接连接至内部馈线组件之中的低温超导传输管路和诊断信号线传输管路三。
所述电流引线终端盒为长方体形状壳体，为不锈钢材质，极限真空度达到10-3Pa以上；壳体四壁内安装有铝质冷屏，冷屏上配有冷却导管及多层绝热层；超导电缆一在电流引线终端盒中被预制成S型或U型。
所述高温超导电流引线、超导接头一与超导电缆一被多组夹具固定在中央隔板之上；低温传输管路及诊断信号线传输管路一通过多组支撑平行布置在中央隔板两侧；低温阀门组件安装在电流引线终端盒顶部，低温阀门组件中含有多组低温阀门。
所述过渡馈线组件为长直圆筒形状壳体，为不锈钢材质，其穿越生物屏蔽层设置；由G10材料隔板和波纹管构成的真空隔断结构隔绝过渡馈线组件和电流引线终端盒之间的真空连接。
沿过渡馈线组件向内穿越托卡马克杜瓦壁连接内部馈线组件，内部馈线组件被密封在托卡马克杜瓦内部。
所述高温超导电流引线包括室温端、换热器、高温超导段与低温超导段；室温端与电源母排连接，内部的热交换器采用星形叠片式设计；换热器采用翅片式结构，翅片宽3mm，翅片间间隙3mm；分流器两端分别于换热器与低温超导段焊接，高温超导段工作温度5K-65K，通过传导冷却；低温超导段中低温超导电缆一端与高温超导段焊接，另一端接入接头盒之中。
所述超导接头一、超导接头二与超导接头三的结构相同，均包括超导缆；超导缆端部与接头盒通过压接后锡焊连接，两端接头盒之间设有中间塞片，填充块填充四面装配间隙后压接U型卡；冷却管连接两个接头盒端部伸出的冷质通道；上述连接完成后在外部包饶6mm厚绝缘层，并通过支撑连接到中央隔板上。
若干个馈线分布在超导托卡马克的磁体系统周围，超导托卡马克的磁体系统由多个分布在特定位置的超导线圈组成，每一个馈线对应一个或多个超导线圈；超导电缆三、低温超导传输管路和诊断信号线传输管路三的末段与超导磁体中的对应接口连接。
本发明的有益效果：本发明提供的馈线之间互不干涉，可独立完成加工装配，其安装位置可布置在最适合与对应磁体连接的位置，降低了装配难度，节省了装置内部的连接空间，同时可依据建筑物布局分布在建筑物的不同层次，有利于实施日常维护。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1所示为现有技术集中式馈线装置平面布局图；
图2所示为超导托卡马克磁体分布式电流和冷质传输馈线系统配置图；
图3所示为典型的分布式馈线配置图；
图4所示为典型的分布式馈线中电流引线终端盒的横截面图；
图5所示为典型的分布式馈线中过渡馈线组件的横截面图；
图6所示为典型的分布式馈线中内部馈线组件的横截面图；
图7所示为高温超导电流引线结构示意图；
图8所示为超导接头结构示意图；
图9所示为超导接头结构横截面图。
具体实施方式
下面结合图2至图9，对本发明的适用于大型超导托卡马克磁体的分布式电流和冷质传输馈线进行详细的说明。
图2是根据本发明内容的完整的超导托卡马克磁体分布式电流和冷质传输馈线系统示例。超导托卡马克的磁体系统21由多个分布在特定位置的超导线圈组成，若干个馈线22分布在磁体系统21周围，每一个馈线22对应一个或多个超导线圈，向其传输电流、冷质、及测控信号。与图1中的集中式馈线系统相比，分布式馈线系统把电流的传输与冷质的传输回路有效的拆分并整合，这样做不是简单的平均化的分散，而是依据不同类型的超导磁体，按照线圈的功能、运行电流、空间位置做出最佳的优化组合。单个馈线22具备完整的供电、供冷、测量诊断的功能。馈线22之间互不干涉，可独立完成加工装配，其安装位置可布置在最适合与对应磁体连接的位置，降低了装配难度，节省了装置内部的连接空间，同时可依据建筑物布局分布在建筑物的不同层次，有利于实施日常维护。
图3所示是典型的单根馈线结构示例。馈线从托卡马克装置的外围引入，最终与超导磁体线圈相连。馈线中最远离装置的组件为电流引线终端盒31，电流引线终端盒31为长方体形状壳体，使用不锈钢质制造，极限真空度可以达到10-3Pa以上。壳体四壁内安装有铝质冷屏31.1，冷屏上配有冷却导管及多层绝热层，以降低外部环境对壳体内的辐射热。壳体上开法兰孔，两根高温超导电流引线31.2沿法兰孔被置入电流引线终端盒31之中，高温超导电流引线31.2通过超导接头一31.3与超导电缆一31.4形成电连接，超导电缆一31.4在电流引线终端盒31中被预制成S型或U型以有效吸收磁体线圈冷却和运行时对超导电缆一31.4带来的机械应力。高温超导电流引线31.2、超导接头一31.3与超导电缆一31.4被多组夹具固定在中央隔板31.5之上。如图4所示，低温传输管路31.6及诊断信号线传输管路一31.7通过多组支撑平行布置在中央隔板31.5两侧。低温阀门组件31.8安装在电流引线终端盒31顶部，低温阀门组件31.8中含有多组低温阀门可分别控制冷屏31.1的80K冷质输入及输出、高温超导电流引线31.2的50K冷质输入及输出、超导电缆一31.4的4.5K冷质输入及输出、磁体线圈低温传输管路31.6中4.5K冷质输入及输出，同时为了保证运行安全，必须安装压力卸放阀。沿电流引线终端盒31向内，与其连接的是过渡馈线组件32。过渡馈线组件32为长直圆筒形状壳体，使用不锈钢制造，穿越托卡马克装置的生物屏蔽层33。如图5所示，从电流引线终端盒延伸至此的超导电缆一31.4通过超导接头二32.1与过渡馈线组件32中的超导电缆二32.2连接，低温传输管路31.6与过渡馈线组件32中的低温传输线管路32.3密封焊接，诊断信号线传输管路一31.7与过渡馈线组件32中的诊断信号线传输管路二32.4密封焊接。由G10材料隔板和波纹管构成的真空隔断结构32.5隔绝过渡馈线组件32和电流引线终端盒31之间的真空连接。沿过渡馈线组件32向内穿越托卡马克杜瓦壁35就是内部馈线组件34，内部馈线组件34被密封在托卡马克杜瓦内部。如图6所示，超导电缆二32.2通过超导接头三34.1连接至内部馈线组件34中的超导电缆三34.2，低温传输线管路32.3和诊断信号线传输管路二32.4通过密封焊接连接至内部馈线组件34之中的低温超导传输管路34.3和诊断信号线传输管路三34.4。超导电缆三34.2、低温超导传输管路34.3和诊断信号线传输管路三34.4的末段与超导磁体中的对应接口连接。
图7所示为高温超导电流引线的结构示意，本发明中的高温超导电流引线适合万安培级以上的电流传输。高温超导电流引线是把室温传输电流转换至低温传输电流的重要部件。其室温端41与电源母排连接，内部的热交换器采用星形叠片式设计，末端为300K气体出口。室温端41具备水冷与加热器系统，防止运行状态下结霜。换热器42采用翅片式结构，翅片宽3mm，翅片间间隙3mm，高的热交换面积保持良好的换热效果，换热器42与高精密套筒采用过盈配合装配，与室温端41焊接连接。高温超导段43由分流器与高温超导带组成，工作温度5K-65K，通过传导冷却。分流器承载高温超导体的支撑作用，当超导带由超导进入有阻态，分流器可分流大部分电流，防止高温超导带烧毁或者过热，高温超导材料焊接于不锈钢分流器上，分流器两端分别于换热器42与低温超导段44焊接。低温超导段44中低温超导电缆一端经过铠甲切除与表面镍层去除以及分缆搅缆工艺，分成截面积相同的各个子缆，与高温超导段43焊接，另一端经过铠甲切除与表面镍层去除后接入接头盒之中。
图8所示为超导接头一至三的结构示意，超导接头是馈线中重要的连接部件。超导缆51分别是待连接两个大部件端部伸出的用于电流与冷质连接的超导线缆。如图9所示，超导缆51端部经过铠甲切除与表面镍层去除后与铜、不锈钢复合板加工成型的接头盒54通过压接后锡焊连接，连接完成后在装配现场实际测量两端接头盒搭接装配误差。通过中间塞片58调整装配误差。使用填充块55填充四面装配间隙后压接U型卡56装配到最终尺寸，焊接U型卡后加热锡焊接头盒54与塞片58，冷却管57是用于连接两个接头盒端部伸出的冷质通道。所有连接完成后在外部包饶约6mm厚绝缘层53，最终完成后使用支撑52连接到中央隔板上。
在本发明公开内容中，超导传输馈线主要起到向超导磁体电流与冷制传输的功用，电流经过高温超导电流引线室温端进入馈线内部，经过电流引线换热后传输至超导导体之中，超导导体分为S型或U型段、过渡馈线段和内馈线段，每段之间使用超导接头进行连接，最终经超导接头连接至超导磁体线圈终端。冷制传输与电流传输的路径一致。在超导馈线中，高温超导电流引线可在尽可能高的换热效率情况下把万安培级的电流从常温300K温区传输至4.5K液氦温区。超导接头在尽可能低电阻的情况下连接高温超导电流引线和超导电缆。超导电缆可运行在4.5K温区把电流传输至超导磁体终端。低温阀组及低温传输管路可调控不同温度、流量、压力的冷质(氦)，并把冷质(氦)沿低温传输管路传送至超导磁体终端。诊断信号线传输管路可把用于判断超导磁体运行状态的温度、电位等电信号通过电缆传输至数据采集系统。冷屏及真空容器可承载高温超导电流引线、超导接头、超导电缆、低温传输管路、诊断信号线传输管路，保证以上部件在特定高真空度环境下工作。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.大型超导托卡马克磁体的分布式电流和冷质传输馈线，其特征在于，包括电流引线终端盒(31)；两根高温超导电流引线(31.2)被置入电流引线终端盒(31)之中，并通过超导接头一(31.3)与超导电缆一(31.4)形成电连接；
沿电流引线终端盒(31)向内，与其连接的是过渡馈线组件(32)；从电流引线终端盒延伸至此的超导电缆一(31.4)通过超导接头二(32.1)与过渡馈线组件(32)中的超导电缆二(32.2)连接，低温传输管路(31.6)与过渡馈线组件(32)中的低温传输线管路(32.3)密封焊接，诊断信号线传输管路一(31.7)与过渡馈线组件(32)中的诊断信号线传输管路二(32.4)密封焊接；
沿过渡馈线组件(32)向内连接的是内部馈线组件(34)；超导电缆二(32.2)通过超导接头三(34.1)连接至内部馈线组件(34)中的超导电缆三(34.2)，低温传输线管路(32.3)和诊断信号线传输管路二(32.4)通过密封焊接连接至内部馈线组件(34)之中的低温超导传输管路(34.3)和诊断信号线传输管路三(34.4)。
2.根据权利要求1所述的分布式电流和冷质传输馈线，其特征在于，所述电流引线终端盒(31)为长方体形状壳体，为不锈钢材质，极限真空度达到10-3Pa以上；壳体四壁内安装有铝质冷屏(31.1)，冷屏上配有冷却导管及多层绝热层；超导电缆一(31.4)在电流引线终端盒(31)中被预制成S型或U型。
3.根据权利要求1所述的分布式电流和冷质传输馈线，其特征在于，所述高温超导电流引线(31.2)、超导接头一(31.3)与超导电缆一(31.4)被多组夹具固定在中央隔板(31.5)之上；低温传输管路(31.6)及诊断信号线传输管路一(31.7)通过多组支撑平行布置在中央隔板(31.5)两侧；低温阀门组件(31.8)安装在电流引线终端盒(31)顶部，低温阀门组件(31.8)中含有多组低温阀门。
4.根据权利要求1所述的分布式电流和冷质传输馈线，其特征在于，所述过渡馈线组件(32)为长直圆筒形状壳体，为不锈钢材质，其穿越生物屏蔽层(33)设置；由G10材料隔板和波纹管构成的真空隔断结构(32.5)隔绝过渡馈线组件(32)和电流引线终端盒(31)之间的真空连接。
5.根据权利要求1所述的分布式电流和冷质传输馈线，其特征在于，沿过渡馈线组件(32)向内穿越托卡马克杜瓦壁(35)连接内部馈线组件(34)，内部馈线组件(34)被密封在托卡马克杜瓦内部。
6.根据权利要求1所述的分布式电流和冷质传输馈线，其特征在于，所述高温超导电流引线包括室温端(41)、换热器(42)、高温超导段(43)与低温超导段(44)；室温端(41)与电源母排连接，内部的热交换器采用星形叠片式设计；换热器(42)采用翅片式结构，翅片宽3mm，翅片间间隙3mm；分流器两端分别于换热器(42)与低温超导段(44)焊接，高温超导段(43)工作温度5K-65K，通过传导冷却；低温超导段(44)中低温超导电缆一端与高温超导段(43)焊接，另一端接入接头盒之中。
7.根据权利要求1所述的分布式电流和冷质传输馈线，其特征在于，所述超导接头一、超导接头二与超导接头三的结构相同，均包括超导缆(51)；超导缆(51)端部与接头盒(54)通过压接后锡焊连接，两端接头盒之间设有中间塞片(58)，填充块(55)填充四面装配间隙后压接U型卡(56)；冷却管(57)连接两个接头盒端部伸出的冷质通道；上述连接完成后在外部包饶6mm厚绝缘层(53)，并通过支撑(52)连接到中央隔板上。
8.根据权利要求1所述的分布式电流和冷质传输馈线，其特征在于，若干个馈线(22)分布在超导托卡马克的磁体系统(21)周围，超导托卡马克的磁体系统(21)由多个分布在特定位置的超导线圈组成，每一个馈线(22)对应一个或多个超导线圈；超导电缆三(34.2)、低温超导传输管路(34.3)和诊断信号线传输管路三(34.4)的末段与超导磁体中的对应接口连接。
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