CN111613384B - 一种ReBCO高温超导带材CICC导体及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ReBCO高温超导带材CICC导体及其制造方法，所述CICC导体包括各向同性ReBCO超导电缆、电缆保护层以及金属护套；所述的ReBCO超导电缆由多组各向同性的一级超导电缆或者多组二级超导电缆围绕一个中心冷却管纽绞而成；所述的中心冷却管为圆形截面；在所述ReBCO超导电缆外面包裹有电缆保护层；在所述电缆保护层外面包裹有金属护套。ReBCO超导带材绕制成的一级电缆和二级电缆也都具有各向同性，电缆外层采用保护层避免了导体制造装配过程中可能对ReBCO超导电缆造成损伤，制造工艺可采用辊压变形，简单易实现。本发明给各向异性的ReBCO超导带材应用于大型高场超导磁体提供了一种方法，且其同时具有高的电学性能稳定性和优异的机械性能。
Description
技术领域
本发明涉及大型高场磁体用超导导体技术领域，具体是一种ReBCO超导带材的CICC导体设计与制造方法。
背景技术
超导技术在电工、医疗、交通、科学实验等领域都具有重要应用，如粒子加速器、核聚变装置、磁流体发电等领域，高磁场、大电流是其显著特点。其中磁约束核聚变装置就要求在数十米的空间内产生10T量级的磁场，且目前国内外设计的下一代聚变堆均要求中心螺管磁体及纵场磁体的最高场高于12T(中国聚变实验反应堆CFETR中心螺管线圈要求最高场约17T，载流要求约60kA)。同样，对于下一代粒子加速器，其要求磁场高于16T，甚至会达到18-20T。由于高磁场、大电流的运行环境，还要求磁体具有优异的机械性能，以克服运行过程中的电磁负载。因此，由于具有高效冷却、高稳定性、高的机械强度等优点，管内电缆导体(以下简称CICC导体)被大型超导磁体广泛应用。然而，截至目前为止应用于大型高场磁体的CICC导体主要采用4.2K环境下上临界场分别为20T和11T的Nb3Sn、NbTi等低温超导线材，但由于受线材结构及生产工艺等条件的限制，目前实现商业化应用的Nb3Sn超导线材的载流性能随磁场的增加衰减明显，对于12T以上的大型磁体其应用受限。因此，寻求在高场下仍然具有高载流性能的超导材料是发展大型高场磁体的关键因素。
根据现有实用化超导材料的发展现状，在4.2K环境下具有极高不可逆场以及优异的磁场载流特性的ReBCO超导带材被人们所关注，其在4.2K且磁场强度高于20T下仍具有满足应用需求的载流性能。但由于是带材结构，具有各向异性，不能沿用具有各向同性的低温超导线材的导体结构设计与制造工艺。基于此问题，有人提出采用ReBCO超导带材堆叠成正方形的超导线芯，并加以填充材料和圆形套管形成股线的CICC导体设计，但其在应用于大型磁体上存在缺陷，磁体绕制过程中部分带材将受到比较极端的应力应变状态，会引起载流性能的衰退。因为ReBCO属于氧化物陶瓷材料，具有一定的应力应变敏感特性。因此，ReBCO超导带材的CICC导体设计与制造过程中不仅要解决带材的各向异性问题，还要避免应力应变引起的载流性能衰退问题。
发明内容
针对上述由于ReBCO超导带材的各向异性以及应力应变敏感特性而不能沿用低温超导CICC导体设计与制造的问题，本发明提供一种基于ReBCO超导带材的CICC导体及其制造方法，以解决ReBCO超导带材的各向异性和应力应变敏感特性给其在大型超导磁体应用中带来的问题。所述ReBCO超导带材CICC导体为具有各向同性的圆截面或方形截面结构，主要由金属护套、多股ReBCO超导带材螺旋绕制的圆截面超导股线扭绞而成的超导电缆、电缆保护层以及中心冷却管组成。超导电缆与金属护套采用间隙装配后通过冷挤压成型CICC导体，操作过程简便，易控制，为适用于77K-4.2K的高温超导ReBCO带材应用于大型高场磁体提供了方法。
本发明提供一种ReBCO高温超导带材CICC导体，所述CICC导体包括各向同性ReBCO超导电缆、电缆保护层以及金属护套；
所述的ReBCO超导电缆由多组各向同性的一级超导电缆或者多组二级超导电缆围绕一个中心冷却管纽绞而成；所述的中心冷却管为圆形截面；
在所述ReBCO超导电缆外面包裹有电缆保护层；
在所述电缆保护层外面包裹有金属护套。
进一步的，所述各向同性CICC导体外形为圆截面或者方形截面。
进一步的，所述的ReBCO超导电缆由6组各向同性的一级超导电缆或者二级超导电缆围绕一个中心冷却管纽绞而成；
进一步的，一级超导电缆由多根1-5mm宽的ReBCO超导带材围绕直径为1.5-7mm的圆形铜丝或铝丝螺旋绕制而成，在绕制的ReBCO超导带材的外侧采用花包或叠包的电金属带材进行机械防护以及失超防护。
进一步的，所述二级超导电缆由三根一级超导电缆相互扭绞而成，在电缆的外侧采用金属带材进行花包处理。
进一步的，所述的中心冷却管为圆形截面，由不锈钢螺旋管或带孔圆管组成，用于流通冷却介质，使得超导电缆能够运行在需求的温度环境下。
进一步的，所述的电缆保护层采用金属管材或叠包的金属带材构成；
所述的金属护套根据具体运行环境需求采用圆形或者外方内圆形金属管。
本发明还提供一种ReBCO高温超导带材CICC导体的制造方法，具体包括如下步骤：
步骤1：制造一级超导电缆，具体包括：采用宽度为1-5mm宽的ReBCO超导带材围绕直径为1.5-7mm的高导电铜或者铝丝螺旋绕制，单层ReBCO超导带材绕制数量根据所采用的带材宽度和铜或者铝丝的直径而定，需满足铜或铝的周长大于多个带材的宽度和；在ReBCO超导带材绕制完成后采用厚度为0.05-0.5mm的铜带进行花包或者叠包绕制，花包率控制在30％-70％，叠包率大于30％，最终厚度控制在3mm以内；
步骤2：制造超导电缆：根据超导电缆的具体结构设计进行超导电缆的绞制，根据具体的导体载流要求，选择由6个一级超导电缆与1个中心冷却管绞制而成或由6个二级超导电缆与1个中心冷却管绞制而成，绞制过程中张力不超过200N，扭绞节距Lp大于400mm；所述二级超导电缆由3个一级超导电缆绞制而成，绕制节距控制大于100mm，绞制张力不超过100N，外侧采用厚度为0.01-0.5mm铜带或者不锈钢带材进行花包绕制，花包率控制在30％-70％，且最终厚度控制在3mm以内；
步骤3：制造超导电缆保护层：超导电缆保护层选择铜管或者叠包的钢带，如果选用铜管要求装配间隙控制在2-5mm，如果选用叠包的钢带，要求叠包率大于30％，铜管或叠包厚度控制在0.5-5mm；
步骤4：连接金属套管：根据具体CICC导体长度要求准备金属套管，根据CICC导体具体结构设计，金属套管采用圆形或外方内圆形无缝不锈钢管，对于长度要求大于8m的CICC导体，金属套管采用氩弧焊方式进行连接至要求长度；
步骤5：导体装配：将带有保护层的超导电缆穿入金属护套中，为控制装配过程中的拉力不超过70kN，选择间隙装配，且间隙控制在1-5mm；
步骤6：导体挤压成型：根据步骤3和步骤5中的装配间隙计算需求的挤压变形量，使得导体内部的空隙率大于20％，以确保超导电缆的冷却效果；随后，进行辊压变形的方式，以使得单组变形量小于0.5％。
进一步的，金属护套的冷变形量控制在8％以内，对于大长度>50m的导体，收绕成螺旋状，层与层紧密接触，收绕半径不小于2m。
有益效果：本发明提供一种ReBCO超导带材CICC导体，通过将多ReBCO超导带材绕制的小尺寸超导电缆进行扭绞，并在外部增加压紧的金属保护层及护套，以减小或避免ReBCO超导带材在大电流、高场下由于电磁运动引起的机械损伤，此外其对称性结构使得其具有优异的全方向弯曲性能，能够应用于大型超导磁体绕制过程，特别适合于设计具有平面弯曲、跨匝S型弯曲等复杂结构的大型超导磁体。
附图说明
图1为ReBCO高温超导带材各向同性CICC导体三维结构示意图；
图2为ReBCO高温超导带材圆截面各向同性CICC导体的截面示意图；
图3为ReBCO高温超导带材方截面各向同性CICC导体的截面示意图；
图4为ReBCO高温超导带材各向同性一级电缆截面示意图；
图5为ReBCO高温超导带材各向同性二级电缆截面示意图；
图6为螺旋管结构中心冷却管结构示意图；
图7为带孔圆管形中心冷却管结构示意图；
图8为ReBCO高温超导带材CICC导体冷压成型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，提供一种ReBCO高温超导带材CICC导体，所述CICC导体包括各向同性ReBCO超导电缆、电缆保护层以及金属护套；所述的ReBCO超导电缆由多组各向同性的一级超导电缆或者多组二级超导电缆围绕一个中心冷却管纽绞而成；所述的中心冷却管为圆形截面；在所述ReBCO超导电缆外面包裹有电缆保护层；在所述电缆保护层外面包裹有金属护套。
如图1所示，一种ReBCO高温超导带材CICC导体包括超导电缆1、电缆保护层2以及金属护套3组成；
如图2、图3中所示，其中ReBCO超导电缆1可以为一级超导电缆4或者二级超导电缆5，金属护套3可以是圆形或者外方内圆形不锈钢管材；
如图4中所示，一级超导电缆4的截面结构，由ReBCO超导带材9围绕圆形的高导电金属芯材10螺旋绕制后在外层花包或叠包高导电金属带材7而成；
如图5中所示二级ReBCO超导电缆5为3个一级超导电缆4组成。
如图6-7，所述的中心冷却管为圆形截面，由不锈钢螺旋管或带孔圆管组成，用于流通冷却介质，使得超导电缆能够运行在需求的温度环境下。
根据本发明的一个实施例，提出一种ReBCO高温超导带材CICC导体的制造方法，具体包括如下步骤：
步骤1：制造一级超导电缆4，具体包括：采用宽度为1-5mm宽的ReBCO超导带材围绕直径为1.5-7mm的高导电铜或者铝丝螺旋绕制，单层ReBCO超导带材绕制数量根据所采用的带材宽度和铜或者铝丝的直径而定，需满足铜或铝的周长大于多个带材的宽度和。在ReBCO超导带材绕制完成后采用厚度为0.05-0.5mm的铜带进行花包或者叠包绕制，花包率一般控制在30％-70％，叠包率一般大于30％，最终厚度一般控制在3mm以内；
步骤2：制造超导电缆1：根据超导电缆的具体结构设计进行超导电缆的绞制，根据具体的导体载流要求，可选择由6个一级超导电缆4与1个中心冷却管6绞制而成或由6个二级超导电缆5与1个中心冷却管6绞制而成，绞制过程中张力不超过200N，扭绞节距Lp大于400mm；此外，二级超导电缆5由3个一级超导电缆4绞制而成，绕制节距控制大于100mm，绞制张力不超过100N，外侧采用厚度为0.01-0.5mm铜带或者不锈钢带材进行花包绕制，花包率一般控制在30％-70％，且最终厚度一般控制在3mm以内；
步骤3：制造超导电缆保护层2：根据具体的结构设计，超导电缆保护层2可选择高塑性铜管或者叠包的钢带，如选用铜管一般要求装配间隙控制在2-5mm，如选用叠包的钢带，一般要求叠包率大于30％，铜管或叠包厚度一般控制在0.5-5mm；
步骤4：连接金属套管：根据具体CICC导体长度要求准备金属套管，根据CICC导体具体结构设计，金属套管采用圆形或外方内圆形无缝不锈钢管，对于长度要求大于8m的CICC导体，金属套管采用氩弧焊方式进行连接至要求长度；
步骤5：导体装配：将带有保护层2的超导电缆1穿入金属护套3中，为控制装配过程中的拉力不超过70kN，一般选择间隙装配，且间隙一般控制在1-5mm；
步骤6：导体挤压成型：根据步骤3和步骤5中的装配间隙计算需求的挤压变形量，使得导体内部的空隙率大于20％，以确保超导电缆的冷却效果；随后，如图8中所示的辊压变形的方式实现，具体轮组数量可根据计算的挤压变形量来选择，以使得单组变形量小于0.5％。金属护套的冷变形量要控制在8％以内，对于大长度>50m的导体，收绕成螺旋状，层与层紧密接触，收绕半径不小于2m。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (5)
1.一种ReBCO高温超导带材CICC导体，其特征在于：
所述CICC导体包括各向同性ReBCO超导电缆、电缆保护层以及金属护套；
所述的ReBCO超导电缆由多组二级超导电缆围绕一个中心冷却管扭绞而成；所述二级超导电缆由三根一级超导电缆相互扭绞而成，在电缆的外侧采用金属带材进行花包处理，所述一级超导电缆由多根1-5mm宽的ReBCO超导带材围绕直径为1.5-7mm的圆形铜丝或铝丝螺旋绕制而成，在绕制的ReBCO超导带材的外侧采用花包或叠包的电金属带材进行机械防护以及失超防护；
所述的中心冷却管为圆形截面；由带孔圆管或者带缝隙的螺旋管组成，用于流通冷却介质，使得超导电缆能够运行在需求的温度环境下；
在所述ReBCO超导电缆外面包裹有电缆保护层；所述的电缆保护层采用金属管材或叠包的金属带材构成；在所述电缆保护层外面包裹有金属护套，所述的金属护套根据具体运行环境需求采用外方内圆或者圆形金属管。
2.根据权利要求1所述的一种ReBCO高温超导带材CICC导体，其特征在于，所述各向同性CICC导体外形为圆截面或者方形截面。
3.根据权利要求1所述的一种ReBCO高温超导带材CICC导体，其特征在于，所述的ReBCO超导电缆由6组各向同性的二级超导电缆围绕一个中心冷却管扭绞而成。
4.一种根据权利要求1-3之一的ReBCO高温超导带材CICC导体的制造方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：制造一级超导电缆，具体包括：采用宽度为1-5mm宽的ReBCO超导带材围绕直径为1.5-7mm的高导电铜或者铝丝螺旋绕制，单层ReBCO超导带材绕制数量根据所采用的带材宽度和铜或者铝丝的直径而定，需满足铜或铝的周长大于多个带材的宽度和；在ReBCO超导带材绕制完成后采用厚度为0.05-0.5mm的铜带进行花包或者叠包绕制，花包率控制在30％-70％，叠包率大于30％，最终厚度控制在3mm以内；
步骤2：制造超导电缆：根据超导电缆的具体结构设计进行超导电缆的绞制，根据具体的导体载流要求，选择由6个二级超导电缆与1个中心冷却管绞制而成，绞制过程中张力不超过200N，扭绞节距Lp大于400mm；所述二级超导电缆由3个一级超导电缆绞制而成，绕制节距控制大于100mm，绞制张力不超过100N，外侧采用厚度为0.01-0.5mm铜带或者不锈钢带材进行花包绕制，花包率控制在30％-70％，且最终厚度控制在3mm以内；
步骤3：制造超导电缆保护层：超导电缆保护层选择铜管或者叠包的钢带，如果选用铜管要求装配间隙控制在2-5mm，如果选用叠包的钢带，要求叠包率大于30％，铜管或叠包厚度控制在0.5-5mm；
步骤4：连接金属套管：根据具体CICC导体长度要求准备金属套管，根据CICC导体具体结构设计，金属套管采用圆形或外方内圆形无缝不锈钢管，对于长度要求大于8m的CICC导体，金属套管采用氩弧焊方式进行连接至要求长度；
步骤5：导体装配：将带有保护层的超导电缆穿入金属护套中，为控制装配过程中的拉力不超过70kN，选择间隙装配，且间隙控制在1-5mm；
步骤6：导体挤压成型：根据步骤3和步骤5中的装配间隙计算需求的挤压变形量，使得导体内部的空隙率大于20％，以确保超导电缆的冷却效果；随后，进行辊压变形的方式，以使得单组变形量小于0.5％。
5.根据权利要求4所述的一种ReBCO高温超导带材CICC导体的制造方法，其特征在于：
金属护套的冷变形量控制在8％以内，对于大长度>50m的导体，收绕成螺旋状，层与层紧密接触，收绕半径不小于2m。
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