CN110600188A - 用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆 - Google Patents

用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆，包括有支撑结构，在支撑结构上轴向的开有多个沟槽，在每个沟槽的底部和侧壁上均开有半圆形低温冷却槽，在每个沟槽内通过导热导电焊料焊接固定有高温超导带材堆叠，在高温超导带材堆叠上方设有填充物质对带材堆叠进行固定，在支撑结构的中心开有中心冷却孔，在支撑结构的外侧套有保护壳。本发明用了传导冷却和直接冷却两种冷却方式。本发明所述的电缆采用螺旋扭绕的高温超导堆叠消除了高温超导带材的各向异性，提高了电缆的机械性能，增强了电缆在大电流，复杂强磁场聚变环境下的稳定性。

Description

用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆
技术领域
本发明涉及高温超导电缆技术领域，尤其涉及一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆。
背景技术
核聚变能由于其安全、清洁、高效及原材料丰富等优点有望成为解决人类能源危机的主要途径之一。近年来，托卡马克装置由于可产生更高性能的高温等离子体备受磁约束核聚变界青睐。未来为了产生GW及更高功率的聚变能，托卡马克装置等离子体中心的约束磁场需要不断提高；而传统的低温超导电缆受到上临界磁场和温度的限制，导体性能达到了工作极限。考虑到下一代托卡马克装置的发展，开展更高性能的新型高温超导电缆成为了一项极为重要的工作。近年来，随着高温超导技术的发展(尤其是铋系及稀土系高温超导带材制备技术的发展)，使得设计满足未来聚变磁体所需求的大电流、强磁场环境下的高温超导电缆成为可能。
此外，在高磁场磁体的设计中，随着磁场强度的不断提高，基于高温超导磁体作为内插磁体的混合磁体设计越来越多的受到了关注。基于混合磁体的高磁场设计展现出比常规磁体以及低温超导磁体更优良的性能以及更高的中心磁场。在高磁场混合磁体设计中，设计能够满足在大电流、强磁场环境下稳定工作的高温超导电缆是其重要工作之一。
电力传输用高温超导电缆主要由电缆芯、低温容器、终端和冷却系统组成。采用无阻、具有高电流传输密度的高温超导材料作为导体，高温超导电缆可实现体积小、重量轻、损耗低和传输容量大等一系列优点。不同于超导的传统电力传输应用，聚变用高温超导电缆往往工作在大电流、强磁场环境下，这就要求电缆在具有大电流传输能力的同时，还必须考虑导体的各向异性，且具有足够高的机械强度及在极端工作环境下的稳定性等要求。
目前实用高温超导材料主要包括：Bi2212、Bi2223、Fe基高温超导以及REBCO带材。Bi2212材料需要复杂的热处理，带材以银为基底，造价高昂。Fe基高温超导材料具有较高的临界磁场，在高磁场下能够承载较大的电流；而REBCO带材不需要复杂的热处理工艺，原材料造价相对较低，上临界磁场和温度分别大于100 T和90 K，将会是未来设计制造聚变用高温超导电缆的重要选项之一。然而，由于高温超导带材的各项异性问题限制了超导材料在垂直场下的载流能力。因而，研制具有较高机械强度的具有各项同性的高温超导电缆迫切需要。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆，包括有支撑结构，在支撑结构上轴向的开有多个沟槽，在每个沟槽的底部和侧壁上均开有半圆形低温冷却槽，在每个沟槽内通过导热导电焊料焊接固定有高温超导带材堆叠，在高温超导带材堆叠上方设有填充物质对带材堆叠进行固定，在支撑结构的中心开有中心冷却孔，在支撑结构的外侧套有保护壳。冷却工质液氦、液氖或液氮从中心冷却孔和低温冷却槽流过，对高温超导带材进行直接和传热冷却。在高温超导电缆发生失超时，高温超导带材外的焊料和相邻带材外的覆铜将会起到分流的作用，对电缆进行主动失超保护。高温超导带材不需要绝缘处理。
所述的高温超导带材堆叠是采用多个各向异性的Bi2223或者Fe基高温超导或者REBCO高温超导带材构成的。
所述的高温超导带材堆叠中每个带材的厚度为0.08~0.3mm，高温超导带材堆叠的扭矩为200~400 mm。扭矩进一步增大，以减小带材应力。
所述的保护壳为316L或316LN低温不锈钢。
所述的支撑结构是由铜或铝及其合金制成，支撑结构的沟槽数目为2~9个。
所述的中心冷却孔的直径为2~4 mm。
所述的填充物质为铜质圆柱状结构。
本发明的优点是：本发明有效的解决由于高温超导带材所带来的各向异性；提高电缆的电流传输能力；提高电缆的机械强度，增强电缆在大电流，复杂强磁场环境下的稳定性。
附图说明
图1为本发明以6沟槽为例的高温超导电缆的结构示意图。
图2为本发明以6沟槽为例高温超导电缆的等轴测图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆，包括有支撑结构2，在支撑结构2上轴向的开有多个沟槽8，在每个沟槽8的底部和侧壁上均开有半圆形低温冷却槽4，在每个沟槽8内通过导热导电焊料7焊接固定有高温超导带材堆叠5，在高温超导带材堆叠5上方设有填充物质6对带材堆叠5进行固定，在支撑结构2的中心开有中心冷却孔3，在支撑结构2的外侧套有保护壳1。冷却工质液氦、液氖或液氮从中心冷却孔和低温冷却槽4流过，对高温超导带材进行直接和传热冷却。在高温超导电缆发生失超时，高温超导带材外的焊料和相邻带材外的覆铜将会起到分流的作用，对电缆进行主动失超保护。高温超导带材不需要绝缘处理。
所述的高温超导带材堆叠5是采用多个各向异性的Bi2223或者Fe基高温超导或者REBCO高温超导带材构成的。
所述的高温超导带材堆叠5中每个带材的厚度为0.08~0.3mm，高温超导带材堆叠的扭矩为200~400 mm。扭矩进一步增大，以减小带材应力。
所述的保护壳1为316L或316LN低温不锈钢。
所述的支撑结构2是由铜或铝及其合金制成，支撑结构的沟槽数目为2~9个。
所述的中心冷却孔3的直径为2~4 mm。
所述的填充物质6为铜质圆柱状结构。
以6沟槽电缆为例，每个沟槽装载有一条含有30个REBCO高温超导带材的堆叠，整条电缆共计120条高温超导ReBCO带材。设计的电缆在15 T强磁场下的载流能力达到了27kA，工程电流密度为84 A/mm2，与目前国际热核聚变实验堆ITER所使用的聚变磁体电缆TF线圈55 A/mm2在12 T，PF线圈40 A/mm2在6.5 T，以及CS线圈54 A/mm2的性能相比较具有很大的提升。而传统的低温超导电缆在15T以上时，其载流能力会发生严重退化。
具有6沟槽并不局限于6沟槽的支撑结构2由铜或铝及其合金制成，中心开有直径为2~4 mm的中心冷却孔3。每个沟槽放置一个高温超导带材堆叠5，堆叠由带材通过具有良好导热和导电性的焊料7固定而成。在沟槽的下方及侧壁开凿有供低温工质冷却高温超导堆叠的低温冷却孔4，冷却孔呈半圆形，在冷却的同时增加对高温超导堆叠的支撑。高温超导堆叠上方放置有填充物质对高温超导堆叠进行固定，填充物质6选用铜质圆柱状结构。在填充物质6和支撑结构2外侧是316L、316LN、Haynes242及JK2LB不锈钢保护壳1，起到对电缆的保护，封闭作用。在电缆工作时低温工质如液氦通过中心冷却孔和低温冷却孔，分别对超导带材堆叠进行间接和直接冷却。

Claims (7)

1.一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆，其特征在于：包括有支撑结构，在支撑结构上轴向的开有多个沟槽，在每个沟槽的底部和侧壁上均开有半圆形低温冷却槽，在每个沟槽内通过导热导电焊料焊接固定有高温超导带材堆叠，在高温超导带材堆叠上方设有填充物质，在支撑结构的中心开有中心冷却孔，在支撑结构的外侧套有保护壳。
2.根据权利要求1所述的一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆，其特征在于：所述的高温超导带材堆叠是采用多个各向异性的Bi2223或者Fe基高温超导或者REBCO高温超导带材构成的。
3.根据权利要求2所述的一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆，其特征在于：所述的高温超导带材堆叠中每个带材的厚度为0.08~0.3 mm，高温超导带材堆叠的扭矩为200~400 mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆，其特征在于：所述的保护壳为316L或316LN低温不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆，其特征在于：所述的支撑结构是由铜或铝及其合金制成，支撑结构的沟槽数目为2~9个。
6.根据权利要求1所述的一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆，其特征在于：所述的中心冷却孔的直径为2~4 mm。
7.根据权利要求1所述的一种用于强磁场和聚变堆托卡马克超导磁体的高温超导电缆，其特征在于：所述的填充物质为铜质圆柱状结构。
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