气冷变截面电流引线优化设计与实验研究

电流引线是连接超导低温装置室温电源与超导单元的桥梁,其漏热直接关系到低温系统的运行稳定与运行成本.本文对传统的气冷电流引线分段计算方法做了一定的改进,提出了气冷变截面电流引线优化设计方法.应用此方法为一个YBCO高温超导带材临界电流特性测试装置设计了变截面电流引线.通过对电流引线的温度场分布进行实验测量,并与设计值进行比较,结果吻合较好,证明了气冷变截面电流引线设计方法的有效性和实际优化效果.本文的设计方法及相关实验研究为变截面电流引线在超导低温装置中的实际应用提供了一定的参考.     

变截面电流引线的漏热分析与优化设计

电流引线的漏热大小直接关系到超导设备的运行稳定性与运行成本。文中重点探讨了变截面引线在HTS电流引线优化设计中的应用,通过有限元法计算了不同规格的变截面引线的漏热大小,得出了变截面引线漏热与引线长度及截面积之间的变化规律。并为一个基于2G HTS的YBCO高温超导储能装置设计了曲线形扁铜带变截面电流引线。文中的计算结果对于变截面电流引线的优化设计提供了一定的参考价值。。     

气冷电流引线气流不均衡分配条件下运行参数研究

气冷电流引线被广泛的应用于许多大型超导磁体及其它一些超导装置中.由于引线实际制作过程中的差异或者超导装置本身的一些问题,正负两个引线之间或者同一引线的不同流道之间都存在着冷却气流分配上的不均衡.超导装置中除电流引线外的其他低温热源也可能使流经引线的冷却气流处于非正常状态.所有这些都会使电流引线的实际工作状况偏离最优化设计.本文用数值模拟的方法对非最优化冷却气流条件下的电流引线运行状况进行了研究,分析了冷却气流偏离最优化程度与引线实际运行参数之间的影响关系.     

气冷电流引线气流不均衡分配条件下运行参数研究

气冷电流引线被广泛的应用于许多大型超导磁体及其它一些超导装置中．由于引线实际制作过程中的差异或者超导装置本身的一些问题，正负两个引线之间或者同一引线的不同流道之间都存在着冷却气流分配上的不均衡．超导装置中除电流引线外的其他低温热源也可能使流经引线的冷却气流处于非正常状态．所有这些都会使电流引线的实际工作状况偏离最优化设计．本文用数值模拟的方法对非最优化冷却气流条件下的电流引线运行状况进行了研究，分析了冷却气流偏离最优化程度与引线实际运行参数之间的影响关系．     

高温超导电流引线研究进展概述

超导装置中需要电流引线实现室温端外部电源与处于低温环境的超导磁体相连，采用高温超导电流引线可以有效降低端漏热，降低运行成本.在满足设计电流的基础上，尽可能降低电流引线的总漏热，提升其失冷时间与烧毁时间，是高温超导电流引线的优化目标.本文概述了高温超导电流引线的传热分析、结构设计、安全性评价以及国内外具体应用案例.     

低温装置的最佳气冷电流引线

本文提出了一种计算低温装置气冷电流引线的最佳尺寸比和最小热流的方法,并按照这一方法计算了铜、德银和不锈钢电流引线的最佳尺寸比和最小热流.计算结果发现,当液氦的蒸发率较大时,由具有最佳尺寸比的电流引线流入低温装置的最小热流与电流强度的平方成正比,与液氦的蒸发率成反比,而与引线材料几乎无关.所以,为减小电流引线漏热,材料的选择是无关紧要的,关键是选取最佳尺寸比.     

6kA气冷二元电流引线优化

为了开展高温超导导体实验研究,中国科学院等离子体物理研究所正在建设背场达6 T,最大测试电流为30 kA的超导导体测试装置。在进行高温超导导体测试时,要为背场磁体提供约6 kA的电流。为了减少电流引线的漏热,设计了自洽气冷二元电流引线,主要由铜换热器段及高温超导段组成。并以电流引线低温端漏热最小及低温端漏热使得的液氦蒸发量等于冷却电流引线所需的氦气量为依据,采用自编c程序对电流引线的尺寸进行优化。同时从简化结构、增加对流换热系数的角度出发,设计出换热效率高、满足换热需求的铜换热器。     

EAST装置15kA高温超导电流引线研发

低温超导磁体采用高温超导电流引线能显著降低制冷系统的造价和运行费用.正在建造中的大型超导托卡马克核聚变试验装置(EAST)需要一对16kA和12对15kA电流引线.所研发的电流引线采用美国超导(AMSC)公司提供的Bi-2223/Ag-Au带材, 每5条超导带组成单元叠,与不锈钢支撑圆筒表面50个槽软钎焊成超导段.支撑筒两端铜接头,温端与铜电流引线段丝扣连接并低温钎焊;冷端与100根NbTi/Cu超导线直接锡铅钎焊.冷端采用4K超临界氦流冷却;温端正常运行温度为78K,用液氮冷却.设计要求在此冷却条件下的临界电流大于16kA.78～290K铜电流引线采用3头螺旋槽换热器,冷氮气冷却.为提高电流引线的安全性,在高温超导段温端贮存适量液氮作为热沉,大大增加电流引线被烧毁的时间常数.     

百安级变截面珀尔帖电流引线漏热分析

横跨低温到室温温区的电流引线是连接电源和超导装置的部件,是超导装置的主要漏热源之一.因此减小由于电流引线导致超导低温系统的漏热对低温系统的稳定运行和运行效率至关重要.在传统铜电流引线的室温端插入热电材料碲化铋(Bi_2Te_3)形成的珀尔帖电流引线(Peltier current lead,以下简称PCL)可以有效地减小由于电流引线造成的漏热.珀尔帖电流引线将漏热从纯铜引线的42.4W/kA降低到30.470W/kA.在本文中采用有限元法对PCL进行优化,得到PCL的最优几何参数.改变PCL中铜引线和热电材料碲化铋的横截面面积,并计算改变横截面面积时PCL的漏热.仿真结果显示改变PCL中铜引线的横截面面积时对电流引线的漏热影响不大,而在改变PCL中热电材料的横截面,可以将PCL的漏热从30.470 W/kA降低到27.36 W/kA.     

超导装置电流引线的研究进展

电流引线是连接室温端电源和低温端超导装置的重要部件,也是超导装置热损耗的主要热源之一。选择合适的电流引线形式,并进行引线结构优化设计,可以提高超导装置的可靠性和经济性。概述了电流引线的优化设计目标和分类形式,介绍了全金属电流引线、高温超导电流引线和珀尔帖电流引线的研究进展,分析比较了三类电流引线的工作特点和适用场景,可为超导装置的电流引线选型和优化设计提供参考。     

ITER高温超导电流引线的高安全分流器研究

电流引线是室温电源电缆与低温磁体之间的电连接部件.高温超导材料在液氮温度下具有零电阻率和低热导率的特性,用它做成的电流引线可以大大减小低温系统的热负荷,从而减少制冷设备投资及系统运行费.高温超导电流引线可以分为阻性换热器段和高温超导段两部分(其中还包括各部件间的连接部分).高温超导段的分流器设计关系到冷端热负荷大小以及超导段失超后的安全问题.为了研究国际热核聚变试验堆(ITER)电流引线高安全性能,专门设计、试验了68kA引线的1/90实验样品.本文通过对比全CuBe(cu-2%Be)分流器、全不锈钢分流器和二元分流器的失冷故障(LOFA)实验结果,证明二元分流器能够克服安全性和冷端漏热矛盾,可以满足ITER高安全性的要求.     

Pattern of the induced magnetic field in high-temperature superconducting ceramics

Our experiments performed earlier have shown that, when an external magnetic field is absent, the transport critical current in 3-d superconducting ceramics is a homogeneous function of the sample transverse sizes. The transport critical current density and magnetic field induced by the current are homogeneous functions of a point on the sample cross-section. Using these experimental results equations describing the induced magnetic field pattern in ceramic sample have been derived. The distributions of the transport critical current density and induced magnetic field in the samples having polygonal, diamond-shaped cross-sections illustrate the results.     

一种电流引线的热力学计算方法

从超导磁体气冷电流引线的热平衡方程出发,对电流引线进行分段,提出了一种较为精确计算电流引线长横比及由电流引线末端流入低温容器热量的计算方法;电流引线中氦气流阻是设计电流引线时一个很重要的参数,由于电流引线片形状很复杂,计算其中氦气流阻比较好的方法是采用CFD软件Fluent。氦气模型单元数很庞大,因此对氦气模型进行了简化和分段,相邻两段模型间采用流量和压力边界条件进行耦合。     

The Influence of Parameters of the Stabilizing Layer of 2G HTS Tapes and the Specifics of Heat Removal on the CVC Shape in the Resistive State and on the Critical Voltage Inducing Irreversible Changes in Superconducting Properties

The actual form of the resistive section of the AC current–voltage curve (CVC) is determined experimentally. It is found that the CVC is shaped both by the electrical properties of the superconducting layer and by the thermomechanical properties of layers in the tape structure. The specific features of CVC behavior in different current ranges are determined. It is demonstrated that small amounts of heat released in stabilizing and superconducting layers do not affect the CVC shape below the critical current. Above the critical current, combined heat releases in stabilizing and superconducting layers raise the temperature and the resistance of an HTS tape in the resistive state. It is found that the stabilizing layer has a critical thickness. Below this critical level, the current in the resistive state flows primarily along the HTS layer, and its slight overheating initiates the transition of the sample to the normal state due to the thermal instability of heat removal to liquid nitrogen. In tapes with thicker copper layers, the current in the resistive state is distributed between stabilizing and HTS layers, and the transition to the normal state occurs near the critical temperature of the superconductor at zero current. The dependence of critical voltages characterizing different damage levels of HTS tapes on the thickness of the copper layer is determined. It is found that the breakdown occurs at higher voltages if step voltage is applied.     

Size dependence of the thermo-electrodynamics states of composite high-Tc superconductors and its effect on the current instability conditions

The effect of transverse geometries of the slab of composite high-T_c superconductors on their stable and unstable thermal and electrodynamics transient states in the incomplete and complete penetration modes during the current charging are discussed. The transient period when the electric field that is induced by the charged current becomes more homogeneous during the initial stage of the complete penetration mode in the sub-critical voltage range is studied. In the over-critical voltage range, the cross-section shape of the slab affects its stable and unstable temperature variation. As a result, the current instability condition is not identical for high-T_c superconducting composite tapes that have the same cross-sectional area with various shapes of the cross-section. The condition depends on their thickness: the less thickness, the more stable the current distribution in the composite superconductors with the same cross-sectional area. This feature is a result of the unavoidable reduction of the current-carrying capacity of a high-T_c superconducting composite by the temperature increase. This reduction is caused by the relevant temperature dependence of electrodynamics states of the composite. This temperature dependence happens even during a stable stage of the current charging. These mechanisms must be considered during experiments at which the critical or quenching currents are defined.     

超导磁体气冷电流引线优化设计

提出了一种较为准确的计算超导磁体气冷电流引线最优长横比与电流引线末端流向低温容器热量的方法。根据电流引线的热平衡方程,利用程序设计,采用反复迭代、逐步逼近的方法,并以无氧铜材料为例,计算了10kA电流引线的长横比与流入低温容器的最小漏热。     

缓慢退磁的超导圆盘中的俘获场

本文提出了一个系统的理论框架计算通过场冷过程磁化的超导圆盘中的俘获场和温度分布.此计算基于电流运动方程,考虑到电流密度是温度和磁场的函数,考虑到在正常区和超导区由磁通运动产生的热耗散.计算结果和最近不同研究组的实验结果一致.     

Critical temperature and critical current density of superconducting V-Ga-Al alloys with A 15 structure

V-Ga-Al alloys containing 68–82 at.-% vanadium can be easily worked mechanically in the A2 phase and transformed into the superconducting A15 phase by subsequent heat treatment. The preparation, critical temperature and critical current density of the A15 phase are described. The critical current density, which at 5 Tesla is in the 10⁴ to 10⁵ A/cm² range, is compared with values of technically used superconductors. Ternary V-Ga-Al alloys are suitable for superconducting shielding devices for high fields.