20kA HTS 电流引线试验结果

和在 EAST 装置应用

•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

Yanfang Bi

受试的20kAHTS

CurrentLeads

试验策划1. 在 800 试验杜瓦内用 78K 和 70

K 液氮冷却，测量载流能力、接头电阻和铜电流引线性能。

2. 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。

电位引线标号及测量点位置

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 V/cm 以下；而 Bi－2212 管与 Bi － 2223 带复合的电流引线已达 13.7 V/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 1V/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 。

•接头电阻总体都不大，在 78K 下 Nexans 管两端分别是 44和130 n ； AmSC 的超导模件两端分别为 4.4 和 52n 。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 n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， < 20n 。 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 n ，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 。

78K 液氮冷却的 HTS 段 V － A 曲线

78 70K 液氮冷却的 HTS 段 V － A曲线

70.7K

70.9K

71.5K71.7K

71.9K

71.9K

72.7K

78K 温度钎焊接头电阻与电流之间关系

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。

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

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 。• 设计采用 2种不同类型的 HTS 材料，为 14对 EAST 电流引线选

材、载流能力、接头电阻等性能积累数据和关键的工艺经验。• 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。

20kA HTS Current leadsfor test facility

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

MCP Bi-2212 Tube made by Nexans SuperConductors

Tc 90-92K

Ic 9.05kA at self-field, 77K

OD 80 mm

ID 65 mm

L 200 mm

R contact 0.09-0.14 at 77K

Heat Leak < 0.5W

Main Parameters

ø (outer) l ength cross secti oncri t i cal current* heat l eak**(up to) 77 - 4 K

[mm] [mm] [cm²] [kA] [mW]26 up to 200 3. 3 1. 6 8535 up to 400 6. 2 3 7943 up to 300 8. 4 3. 8 14450 up to 300 10 5 17160 up to 300 12. 4 6 21270 up to 300 15. 6 7 26780 up to 250 18. 1 8. 5 37190 up to 250 20. 6 10 423113 up to 200 23. 3 12 598200 up to 100 42. 4 20. 5 2178

* 77K, 1µV/ cm, sel f fi el d ** for max. gi ven l engths

Current Capacity and Heat Leak ofNexans SuperConductors MCP Bi-2212 Tubes

Data Sheet of Bi-2212 Tube

Critical Current vs Temperature of Bi-2212 Tube

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 。

Tc=90-92K

104 条 Bi-2223 超导带每条带临界电流 >70A@77K, 自场。锦上添花

Bi-2212 超导管临界电流 9052A@77K ，自场70K 下 Ic 可达 20kA

Bi-2212 管与 Bi-2223 带复合的 HTS 电流引线

Bi-2212 Tube with a Shunt Made ofBi-2223/Ag-Au Matrix tapes

如果 38 所真空钎焊，他们报价 3~4 万元 / 个

在 Bi－ 2212 管表面加 2层 Bi － 2223/银－金合金超导带

Bi-2223 tapes soldered withBi-2212 tube in a vacuum vessel

Bi-2212 module solderedto copper cap with InBi

Ag-Au alloy sheathed Bi-2223 Tapes

CryoBlockTM Specifications:

Matrix: Ag/Au  (5.3 wt. % Au)

Thickness (avg): 0.22 (+/- 0.02mm)

Width (avg): 4.3 (+/- 0.2mm)

Critical Tesile Stress: 55 MPa*,**

Critical Tensile Strain: 0.10%*,**

Min. Ic: 100 A*

*   at 77K, self-field, 1µV/cm, **  With 95% Ic  retention *** With no back tension

AmSC

Critical Current of Bi-2223 vsTemperature and Parallel Field

Ic(0.05T,70K)/Ic(0T, 77K) =~125%, so a critical of >24kA for 192 CryoBlock tapes is expected.

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

HTS Module Solderedinto A Copper Capwith 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

Support Cylinder of NTS CurrentLead With 48 Grooves

Brass CylinderCopper End Ring

Soldering in a Vacuum Vessel

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。

Copper Lead SectionWith Helical FinHeat Exchanger

Vacuum jackets

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 tapesbetter 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.

HTS 电流引线的优点1. 常规电流引线受 Weidemann-Franz定律的制约： k=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 。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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% ，

6. 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。

各种材料的热导率比较

Ag-Au 5wt%

Current Lead Requirementof EAST Tokamak

16 Toroidal Field Coils 16.5 kA 2

6 Center Solenoid Coils 15 kA 12

8 Poloidal Field Coils 15 kA 12

Total Requirement: 393 kA

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。

15kA HTS Current LeadFor EAST Tokamak

70K LN2 or GN2

58K GHe

65K GHe

HTS section

Connectorfor CICC

N2 vapor cooledcopper section

Insulation parts

Vacuum jacket

NbTi/CuSC wires

初步设计方案

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。

国外 HTS 电流引线研发进展和现状

美 AmSC

可供产品5kA 1996 年完成10kA 1998 年完成13kA 1998 年完成

Bi-2223带

Tevertron 加速器

FZK

CERN

德 ACCEL

可供产品13kA 2000 年完成实际达到 15kA

Bi-2212管

For CERN

LHC

SuperPower

可供产品13kA 2000 年完成

Bi-2223带

For CERN LHC

日 JAERI 14.5kA

1999 年完成Bi-2223带

For ITER

德 FZK 20kA ， 2000 年完成实际最大达到 40kA

Bi-2223带

For ITER

美欧已可提供商品大电流 HTS 电流引线，但高价（ DM~＄ 10万 / 对 10kA ）

Matrix: Ag/Au  (5.3 wt. % Au)Thickness (avg): 0.22 (+/- 0.02mm)Width (avg): 4.3 (+/- 0.2mm) Min. Ic: 100 A*

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

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。

美 AmSC商用 HTS 电流引线产品

AmSC 的 5kA 电流引线

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

Heat load to liquid helium 1.5 W @ 13 kA1.0 W @ 00 A

Contact resistance 20 n @ 04 K20 n @ 50 K

Time constant of current decay after detection of a quench (quench stability) 120 sOverall length 1.5 mExternal diameter 120 mmInsulation test voltage in heliumgas environment 3 500 V

CERN 13kA 电流引线的技术参数制造商 ACCEL Instruments GmbH

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.

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

沿 HTS 电流引线长度的温度分布（ FZK 的 20kA 电流引线）

FZK 70kA HTS Current Lead

Consists of two HTS modules, and

will be tested in 2004 Spring 。

结语• 2 条 20kA HTS 电流引线的载流能力：在 78K 时可稳定在 13

kA ，采用 CryoBlock 的组件性能更高。在 70K 时，二者都处于超导态，超导段 <1V/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 52-146n ，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。

Thank You