高性能内锡法Nb_3Sn超导股线生产用Sn-Ti合金的研制

高性能内锡法Nb3Sn超导股线可用于国际热核聚变反应堆(ITER)磁体,股线加工过程中的断线问题是股线制备的关键技术之一.在股线的Sn组元中添加适量的Ti不但能够提高Sn的强度利于股线的长线加工;同时Ti元素的添加还可以提高热处理中Nb3Sn的成相速度,降低晶粒尺寸,提高股线的电磁特性.本文介绍了满足Nb3Sn超导股线制备要求的Sn-Ti合金的制备技术,分析了不同浇铸温度对铸锭的影响,对比了加工中Sn-Ti合金的微观组织变化,为我们制备满足ITER要求的Nb3Sn超导股线提供了重要的保障.     

CFETR中心螺管模型线圈稳定性分析

中国聚变工程试验堆(CFETR)中心螺管模型线圈,内部磁体为Nb3Sn线圈,外部磁体为Nb Ti线圈。模型线圈最高磁场可以达到12.0T。针对提出的内部线圈方案,借助一维失超分析软件Gandalf,对Nb3Sn线圈的温度裕度、稳定裕度做了计算。在49k A,12T运行条件下,温度裕度为1.9K,稳定性裕度421.2m J/cm3~426.6m J/cm3。结果表明,温度裕度和稳定性裕度均不低于ITER导体设计要求。     

超导股线Nb3Sn的性能测试研究

随着超导磁体的不断开发应用,对高临界电流密度超导材料的需求不断增长,以金属间化合物为基体的超导材料Nb3Sn具有特殊的实际意义,其制成的导体临界性能高于NbTi导体,Nb3Sn股线也是ITER磁体的关键组成部分.为了选择超导磁体合适的运行参数以及确定其稳定运行的范围,了解其超导特性是必要的.根据磁体设计所用标准,磁体运行时性能与股线的性能密切相关.本文介绍了一种测试Nb3Sn股线临界性能的方法,实验采用四引线法进行,测试中对样品提供了一个垂直方向的背景磁场,其大小可从0 T变化到16 T,实验时样品置于变温杜瓦内,温度调节通过控制进入变温杜瓦的氦气量来实现,可使温度变化小于0.01 K.对测试结果运用Summer定理进行了拟合并加以分析.     

核聚变用内Sn法Nb3Sn股线的制备与性能

采用内Sn法工艺研究了ITER用Nb3Sn股线的制备与性能.我们已成功的研究出了批量生产股线的制备技术,股线具有优异的特性.股线非Cu区的临界电流密度Jcn在12T、4.2K、0.1μV/cm判据下达到1087A/mm2;在±3T的磁场变化范围,磁滞损耗为540 kJ/m3(4.2K);股线的n值在12T、4.2K下为20.此外我们也研究了Nb3Sn层的显微结构和Nb/Sn比.     

Nb_3Sn超导线弯曲应变对临界电流影响研究

Nb3Sn超导线现为大型工程科研项目如国际热核聚变反应堆(ITER),强磁场项目等磁体的基本材料之一.由于A15相的脆性,受力作用下Nb3Sn超导体超导性能会发生严重退化.在ITER用管内电缆导体(CICC)中,股线受到电磁力作用时会产生弯曲应变.为研究弯曲应变对超导线的临界电流影响,我们对ITER标准临界电流测试骨架中间部位开槽,使股线在通电过程中产生循环的弯曲应变,并测试得到其临界电流.结合Nb3Sn超导线偏应变临界电流定标律,分析在两种极限假设情况(低丝间电阻和高丝间电阻)下超导线弯曲应变对临界电流的影响,并与骨架开槽实验结果进行比较.     

ITER磁体馈线导体不锈钢铠甲力学性能研究

ITER磁体馈线(Feeder)导体在生产过程中,要经过压缩成型。为了模拟导体的真实工况,铠甲力学测试样品在准备前都压缩到了导体要求的尺寸。文中测试了ITER磁体馈线导体在正式生产阶段不锈钢铠甲的常温与低温(7K)力学性能,并进行了统计分析。     

压痕对低温和高温超导股线临界性能影响研究

低温超导股线Nb Ti和Nb3Sn用于核聚变装置用的CICC导体结构,由于绞缆的作用及导体生产过程中的挤压作用,将会导致Nb Ti和Nb3Sn超导股线的表面产生不同形式的压痕,过大的压痕将会影响股线的临界性能;高温超导股线Bi-2212和Mg B2是未来可用于核聚变装置中制成CICC导体潜在的高温超导材料,由于高温超导材料的脆性,在电缆制备及导体制造过程中也会导致股线的表面产生压痕影响股线的性能。文中主要开展对于低温超导股线Nb Ti,Nb3Sn及高温超导股线Bi-2212和Mg B2的临界性能随压痕深度的变化规律,从而为导体制造的改进及未来高温超导导体的制造提供理论依据。     

准各向同性高温超导股线交流损耗的实验研究

高温超导体的交流损耗直接影响超导电力装置的运行成本和稳定性,是判断超导电力设备设计是否合理的重要特性之一.在阐述准各向同性高温超导股线结构特点的基础上,首先对准各向同性高温超导股线的交流损耗和磁滞损耗进行仿真研究,利用有限元软件Comsol Multiphysics分析了交流背景磁场下的损耗,然后在对光纤布拉格光栅(optical fiber Bragg grating,简称FBG)波长与损耗关系标定的基础上,使用光纤布拉格光栅测量交流背景磁场下的交流损耗.理论计算与实验结果相吻合,表明在工频和液氮温度下股线的交流损耗以磁滞损耗为主.     

ITER TF导体压降流阻测试试验与分析

由于国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,简称ITER)的磁体系统运行时利用迫流氦进行冷却,迫流氦在线圈内部流动,产生一定阻力,会影响磁体线圈的正常工作,需要对磁体线圈进行压降测试。着重介绍线圈导体的流体测试试验,根据ITER纵向场(Toroidal Field,简称TF)的导体PA技术要求,搭建测试平台并在室温下进行氮气压降-流量测试实验。使用经验公式进行理论压降计算,计算结果与测量值进行对比,较为接近。同时,也利用该根导体参数进行低温下压降计算,计算结果和国外相关数据,相似。     

15 T高场复合超导磁体低温实验研究

大孔径高均匀度高场磁体是进行超导材料性能测试的必要条件之一.本文主要介绍了15 T高场复合超导磁体的低温励磁实验与结果.该磁体包括两个高性能Nb3Sn线圈、一个ITER Nb3Sn线圈和一个NbTi线圈,分别处于磁体的高、中、低场部分.磁体外径329.9 mm,高度401.44 mm,中心孔径77.5 mm,磁体中心磁场测量值14.94 T,轴向磁场(98％)均匀区测量长度55 mm,超过了磁体设计指标要求的40 mm,测试结果满足设计要求.     

100kA超导变压器的电磁分析

为测试与认证CFETR和未来聚变堆用高性能、大电流的大型超导导体,设计了一套超导导体测试装置所需100k A级超导变压器。变压器的初级绕组采用直径为0.87mm的单根Nb Ti股线绕制,总匝数为4,290匝;而次级绕组采用ITER校正场CICC导体同轴绕制于初级绕组外部,总匝数为4匝。详细介绍了超导变压器的主要设计参数;并通过有限元软件完成了电磁回路耦合、电磁场、电磁应力等相关电磁分析。结果表明:参数设计符合要求、超导变压器能安全稳定地运行。     

NbTi-Cu二组元、NbTi-Cu-CuNi三组元超导磁体交流损耗实验比较

我们用电子积分技术测量磁滞迴线的方法,分别测试了NbTi-Cu二组元和NbTi-Cu-CuNi三组元复合线磁体的交流损耗.本文报告了实验结果并把这些结果作了定性的比较.通过比较可以看出:在我们实验范围内,(1)NbTi-Cu二组元复合线磁体的损耗正比于磁体的磁场峰值和励磁速度.(2)NbTi-Cu-CuNi三组元复合线磁体的损耗正比于磁场峰值,但随励磁速度增加而下降.     

Nb_3Sn CICC导体接头电阻测试

介绍了用于测试大电流Nb3Sn管内电缆导体接头电阻的超导变压器系统。该超导变压器包括初级线圈和次级线圈,其中初级线圈采用Nb Ti超导股线绕制;次级线圈采用Nb3Sn CICC导体绕制。初级线圈和次级线圈均浸泡在液氦中冷却。利用超导变压器对Nb3Sn CICC导体超导接头的测试结果表明,所设计的超导接头电阻满足设计要求。     

多芯NbTi组合导体的交流损耗

测量了多芯NbTi组合导体在纵向场和横向场中的动态磁化曲线和静态磁化曲线,给出磁场峰值最大到60kOe的交流损耗值。静态法测量结果与磁滞模型一致,动态法则包括磁滞损耗和芯间耦合导致的涡流损耗。由于几何因子的差别和钉扎强度的各向异性,导体在纵向场中的损耗低于横向场中的值。     

Nb_3Sn导体磁化及磁滞损耗特性研究

针对中国聚变工程实验堆中心螺管模型线圈(CFETR CSMC)中用内锡法工艺制备的Nb_3Sn导体的磁化及损耗特性展开研究。采用国际热核聚变实验堆(ITER)标准磁化样品和测量程序,获得4.2K到14K温区下的磁化曲线;利用钉扎定律及优化模型,模拟不同磁场区间内的磁化强度,拟合获得不同温度下钉扎模型参数;对磁化特性的重要参量进行了详细分析和讨论,并探讨了不影响Jc条件下合理减少磁滞损耗的途径。     

80kA超导变压器绕组的电磁分析与实验研究

为了满足未来聚变堆用CICC导体的测试需要,中国科学院强磁场科学中心正在研制一套大型的CICC导体测试系统。80k A超导变压器作为导体样品的电流源,是测试系统的关键部件。其绕组由单根Nb Ti股线密绕的初级绕组和采用ITER CC导体绕制的次级绕组组成。首先详细介绍了80k A超导变压器绕组的设计参数和研制过程,然后采用数值方法对其电磁特性进行了仿真分析。最后,采用低温液氦实验和自动电桥平衡测试方法分别对变压器初级绕组和次级绕组进行了详细的研究,从而对超导变压器绕组的电感和磁场分布等电磁特性进行了的准确评估。     

未来聚变堆用高温CICC导体发展现状及工程质量控制

相对于浸泡式冷却和制冷机冷却的磁体或线圈,CICC导体具有高冷却效率、高稳定性和高强度、可绕制成大尺寸线圈等特性,被广泛应用于加速器及核聚变等大科学装置中。目前,用于制备CICC的超导材料Nb Ti和Nb3Sn都属于低温超导材料,其中Nb3Sn制备的CICC可以在13T左右的磁场中使用,较具代表性的如ITER中心螺旋管线圈。未来聚变堆中需要更高的磁场来约束高能量密度等离子体,这不仅要求超导材料具有高场载流能力,也需要更好的机械性能来抵抗更大电磁力造成的应变。现有低温超导材料已无法满足这些要求,需要发展可用于CICC的新型超导材料予以替代。文中主要介绍了Bi2212和YBCO两种高温CICC导体的研究现状,以及将来可采取的工程质量控制方法。     

Mathematic软件在铁磁材料磁滞回线中的应用

根据铁磁材料磁滞回线的实验原理,利用绘图软件Mathematic绘制出样品的磁化曲线和磁滞回线,对实验数据进行多项式函数拟合,计算出其磁滞损耗。     

添Ti或添Mg铌管富Sn法Nb3Sn导体的超导性能

采用 Nb 管富 Sn 法制备 Nb_3Sn 导体母材中添加适量合金元素 Ti 或 Mg 分别显著提高导体在≥12T 或≤12T 磁场区域的载流能力.由于 Ti 和 Mg 改善 Nb_3Sn 材料载流能力的机制不同,同时,Ti 进入 A15型(Nb,Ti)_3Sn 化合物晶格,并占据 Nb 原子的结晶学位置,而进入 Nb_3Sn 反应层的 Mg 则以 Mg-Nb-O 化合物沉淀相微粒弥散分布在 Cu-Sn-Mg 母材侧的 Nb_3Sn 晶粒中,因此,若在母材中同时添加合金元素 Ti 和 Mg 将可能明显提高导体在8—20T 整个实用磁场区域的载流能力.使用(Nb,Ti)_3Sn 导体(0.99mm~(?)×1.69mm~ω)制造的超导磁体(2a_1×2a_2×2b=31.5mm×70mm×99.5mm)在10.4T NbTi-Nb_3Sn 背景磁场下,磁体工作电流 I_a=392A(未失超)时,磁体中心场强 H_(?)=14.2T,此时,导体的工作电流密度 Ja(non cu)(14.2T,4.2K)=5.2×10~4Acm~(-2).     

ITER导体样品CERNOX CX-SD温度计安装工艺研究

作为七个参与方之一,中国承担了国际热核聚变实验堆(ITER)装置的部分TF及PF线圈超导导体,全部CC线圈及Feeder超导导体的研究生产任务.在导体生产预研阶段必须对所有生产过程进行认证并制造性能认证导体样品(CPQS)送往瑞士CRPP研究所的SULTAN实验装置进行性能测试,中方将负责除TF导体外的其余超导导体样品的设计制造.所有导体样品将布置尽可能多的温度计及电位测量线用于导体样品性能测试以评估导体性能.导体样品的温度测量采用CERNOX CX-SD温度计,在高场区两侧同一个测温点的导体表面环向位置均匀布置了四只温度计,在导体通电测试前对所有温度计进行校验以确定其有效性及一致性.在对CERNOX温度计的安装工艺进行研究之后,目前所安装的同一测温点四只温度计在4.5K校验温度下的分散性达到或优于50mK测量误差范围.