高温超导大电流引线冷端与超导传输线低电阻接头制造技术

本发明专利技术公开了一种高温超导大电流引线冷端与超导传输线低电阻接头，包括有低热导不锈钢支撑筒，支撑筒外壁上焊接有间隔排布的高温超导叠，高温超导叠的温端焊接有铜过渡件，高温超导叠的冷端通过钎焊搭接有ＮｂＴｉ／Ｃｕ超导线，ＮｂＴｉ／Ｃｕ超导线交叉缠绕在内铜管上，内铜管外套有外铜管，在内、外铜管之间通液氦对超导线及高导铜接头进行冷却。本发明专利技术结构较简单，工艺要求不高，适用于２０ｋＡ以下的连接。本发明专利技术的接头电阻低达１．４－４．６ｎΩ，在４ｇ／ｓ超临界氦流量下，６个接头加１２个传输线端头的全部压头损失低于０．１ＭＰａ。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于大型超导磁体的高温超导电流引线馈电技术。具体是一种高温超导大电流引线冷端与低温超导传输线端头之间的低电阻接头技术。
技术介绍
20世纪60年代工程超导材料的发展为超导技术大规模地应用于高能加速器、核聚变实验装置和高场磁体等成为可能。与常规磁体相比，超导磁体电源成本和运行费大大减少，取而代之的是维持超导磁体运行条件的低温系统设备成本和运行费。4K低温致冷技术的难度阻碍了低温超导技术的推广应用，低温设备成本和运行费用高低与系统的热负荷相关，而其中为大型超导磁体馈电的电流引线是最主要的热负荷，占总量的50-85％。80年代后期高温超导材料的研发成功，很快有人想到应用于电流引线，利用其低热导率和零电阻特性使电流引线热负荷下降一个数量级。用于小型超导磁体的高温超导电流引线已可买到商用的产品。但电流大于10kA大型磁体的高温超导电流引线仍处于研发阶段，尚没有商用化。在4K温度，每一瓦的热负荷需要250-700倍的电力消耗来制冷。因为接头的焦耳热等于电流平方与接头电阻的乘积，为降低4K温区的热负荷，如何降低大电流引线高温超导段的冷端接头电阻成为技术关键之一。过去几年国外研发的高温超导大电流引线根据其应用目的有各种不同的冷端接头设计。如欧洲核研究中心(CERN)的强粒子超导加速器(LHC)的13kA电流引线用于Rutherford超导电缆绕制的2极磁体，其高温超导段冷端与72条NbTi/Cu超导线钎焊，然后这超导线束与Rutherford电缆组成的超导传输线钎焊，采用铜管并焊，迫流内冷。日本和德国曾为国际受控热核试验堆(ITER)研发60和70kA高温超导电流引线各一件，在试验时都与铜电流引线配对，但冷端的接头设计不同前者采用NbTi/Cu线束过渡，液氦浸泡冷却；后者采用高温超导段与埋有Nb3Sn超导电缆的铜件钎焊设计，迫流冷却。我国在十·五期间建造的超导托卡马克核聚变试验装置EAST的所有磁体采用NbTi/Cu超导电缆穿管(下称CICC)制造，迫流内冷。因此有别于CERN的Rutherford超导电缆绕制的迫流外冷磁体及传输线；日本JAERI的60kA电流引线未考虑与超导传输线之间的接头，而且浸泡冷却也不适用于EAST；德国FZK的70kA电流引线考虑了与超导传输线的接头技术，采用机械夹紧方式，为减小接头电阻，表面镀金，再加上铜件上打深孔埋焊Nb3Sn电缆，难度大，工艺复杂，费用高。上述国外的高温超导电流引线并未提供具体设计和制造工艺细节。本专利技术是解决适合类似于EAST装置的CICC超导传输线连接的接头技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高温超导大电流引线冷端与超导传输线低电阻接头。主要特征是用NbTi/Cu超导线作为高温超导段冷端与CICC超导传输线之间的载电流元件，采用迫流内冷使NbTi/Cu超导线束工作温度低于5K，保证它与高温超导段下端的接头电阻，它与CICC超导传输线之间的接头电阻都低于5nΩ。本专利技术的技术方案如下高温超导大电流引线冷端与超导传输线低电阻接头，其特征在于包括有低热导不锈钢支撑筒，支撑筒外壁上焊接有间隔排布的高温超导叠，高温超导叠的温端焊接有铜过渡件，高温超导叠的冷端通过钎焊搭接有NbTi/Cu超导线，不锈钢支撑筒冷端连接有高导铜接头，高导铜接头下端部分为锥形体，高导铜接头内有冷却气流通道，其下端焊接有内铜管和冷却气流通道连通，，高导铜接头侧壁开有导流孔和冷却气流通道连通，NbTi/Cu超导线经过锥形体到达内铜管外，取互相间隔的超导线先在内铜管外螺旋地缠绕一层，再将另剩余的超导线按相反方向在内铜管外再缠绕一层，外铜管通过缩径紧密套在内铜管的超导线外，外铜管与不锈钢支撑筒的高导铜接头之间通过变径管钎焊密封连接；内、外铜管的下端连接有不锈钢接头，不锈钢接头上有出口管道和内铜管联通，出口管道外环绕有进气室和内铜管与外铜管之间的夹层联通，进气室侧面有入口。不锈钢支撑筒外间隔钎焊有50个高温超导叠，每叠由5层超导带组成，超导带为Ag-5.3wt.％Au合金基体的BSCCO-2223带材。所使用的NbTi/Cu超导线表面热镀普通锡-40％铅或锡-58％铅-2％锑软钎料，NbTi/Cu超导线与高温超导带叠之间的钎焊使用锡-40％铅，不锈钢支撑筒在钎焊前先镀有铜，每超导叠和二条NbTi/Cu超导线焊接，外铜管内外壁表面热镀Sn-40％Pb焊料。外铜管和不锈钢进气室之间，外铜管与不锈钢变径管之间采用真空银-铜钎焊。外铜管外焊接有铜垫块，铜垫块焊接面热镀锡铅焊料。所使用的NbTi/Cu超导线表面热镀普通锡-40％铅或锡-58％铅-2％锑软钎料，防止表面氧化，改善超导线之间的均流。NbTi/Cu超导线与高温超导带叠之间的钎焊也使用锡-40％铅，要求在真空容器内均匀加热施焊，无钎剂或仅用少量松香-酒精溶剂。用于大电流引线的高温超导普遍使用Ag-5.3wt.％Au合金基体的BSCCO-2223带材，在自场、77K下的临界电流70-130A。为承载数千至数万A电流必须采用数十或数百条带材并联，通常先将数条或更多的带材钎焊组成叠，每高温超导叠的载流能力在数百至数千A。从降低自场结构和高温超导段的安全考虑，高温超导叠与导热低的不锈钢支撑筒钎焊成一体。为高温超导段温端与工作温度在78-300K的铜换热器连接，也为其冷端与低温超导线连接，故不锈钢支撑筒两端是高导铜件，它还起热沉的作用，抑制失冷时高温超导段过热损坏。这样在高温超导段冷端与低温超导线的钎焊都依托于冷端的高导铜管件，这与CERN和JAERI的作法类似。本专利技术采用超导线螺旋地编绕在内铜管上，螺距必须小于接头长度，最好取接头长度的一半。超导线缠绕成2层，每超导叠下有一条NbTi/Cu超导线在外层，2层螺旋必须反向，使氦流能从超导线的交叉缝隙中流通。低温超导线外套装薄壁高导外铜管，其内外表面热镀Sn-40％Pb焊料。此管件延伸至高温超导段冷端，采用熔点117℃的Sn-52％In焊料封口。外铜管必须缩管，其和内铜管之间的空隙率控制在28-30％，以保证2层超导线之间和对外铜管之间的横向电阻足够低。超临界氦流从下端不锈钢接头的进气室进入内、外铜管的夹层，对NbTi/Cu超导线束直接冷却，氦流先经过变径管与高导铜接头之间的缝隙再经过高导铜接头内的导流孔与螺旋槽通道，进入芯塞的肓孔、内铜管，再经不锈钢接头的出口管道流出，完成一个循环。高导铜接头的作用是传导冷却高温超导段的冷端，使其运行温度低于6K。高导铜接头也是NbTi/Cu超导线束进入正常态时的分流器，提高运行的稳定性和故障态的安全性。NbTi/Cu超导线束承载的电流仅仅穿越2层薄壁铜管和接头铜块，故其接头电阻可控制在低于2-5nΩ水平。高温超导电流引线下端采用不锈钢接头，以避免管线施焊时对NbTi超导线性能的影响，一般要求不超过300℃。本专利技术高温超导电流引线是针对EAST的16kA超导环向场和15kA极向场磁体而研发的，高温超导段的温端采用液氮冷却，80K以上的铜电流引线用氮蒸汽冷却，高温超导段下端和低温超导线束用4K超临界氦流冷却。在安装使用前进行了低温试验，测量了每个电流引线的冷端高温超导叠与低温超导线之间的接头电阻(1.4-4.6nΩ)和低温超导线束与CICC端头之间的接头电阻(小于5本文档来自技高网...

【技术保护点】
高温超导大电流引线冷端与超导传输线低电阻接头，其特征在于包括有低热导不锈钢支撑筒，支撑筒外壁上焊接有间隔排布的高温超导叠，高温超导叠的温端焊接有铜过渡件，高温超导叠的冷端通过钎焊搭接有ＮｂＴｉ／Ｃｕ超导线，不锈钢支撑筒冷端连接有高导铜接头，高导铜接头下端部分为锥形体，高导铜接头内有冷却气流通道，其下端焊接有内铜管和冷却气流通道连通，高导铜接头侧壁开有导流孔和冷却气流通道连通，ＮｂＴｉ／Ｃｕ超导线经过锥形体到达内铜管外，取互相间隔的超导线先在内铜管外螺旋地缠绕一层，再将另剩余的超导线按相反方向在内铜管外再缠绕一层，外铜管通过缩径紧密套在内铜管的超导线外，外铜管与不锈钢支撑筒的高导铜接头之间通过变径管钎焊密封连接；内、外铜管的下端连接有不锈钢接头，不锈钢接头上有出口管道和内铜管联通，出口管道外环绕有进气室和内铜管与外铜管之间的夹层联通，进气室侧面有入口。

【技术特征摘要】
1.高温超导大电流引线冷端与超导传输线低电阻接头，其特征在于包括有低热导不锈钢支撑筒，支撑筒外壁上焊接有间隔排布的高温超导叠，高温超导叠的温端焊接有铜过渡件，高温超导叠的冷端通过钎焊搭接有NbTi/Cu超导线，不锈钢支撑筒冷端连接有高导铜接头，高导铜接头下端部分为锥形体，高导铜接头内有冷却气流通道，其下端焊接有内铜管和冷却气流通道连通，，高导铜接头侧壁开有导流孔和冷却气流通道连通，NbTi/Cu超导线经过锥形体到达内铜管外，取互相间隔的超导线先在内铜管外螺旋地缠绕一层，再将另剩余的超导线按相反方向在内铜管外再缠绕一层，外铜管通过缩径紧密套在内铜管的超导线外，外铜管与不锈钢支撑筒的高导铜接头之间通过变径管钎焊密封连接；内、外铜管的下端连接有不锈钢接头，不锈钢接头上有出口管道和内铜管联通，出口管道外环绕有进气室...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕延芳，马登奎，
申请(专利权)人：中国科学院等离子体物理研究所，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]