CN110060815A - 一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，采用叠加的ReBCO超导带材、铜/铝填充带、铜包带以及螺旋的超导带材一起组成一个圆形超导线结构，其既能够满足大型磁体的高临界电流、高载流密度要求，又具有良好的机械特性与磁体制造过程中的弯曲等变形需求，更重要的是相较国际上已有的ReBCO CICC超导缆设计，本发明把工程临界电流密度提高了20%以上（对于小型ReBCO CICC超导缆，工程临界电流密度最大提升可超过目前国际上已研制的超导缆的一倍），从而解决ReBCO超导带材在CICC型超导电缆应用过程中遇到的电缆绞制难题，并进一步降低二代高温超导体在大型导体应用上的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，属于电缆制造技术领域。
背景技术
管内电缆导体（Cable-In-Conduit-Condctor，CICC）由于具有良好的刚性与机械稳定性，较低的交流损耗以及运行所需低温冷却介质少等优点，在聚变等具有大电流及快速变化磁场运行需求的装置中被广泛采用。目前CICC普遍采用的是NbTi与Nb3Sn两种超导材料。其中NbTi超导体4.2K上临界场为11T，因此NbTi CICC导体主要应用于低场磁体制造；Nb3Sn超导体尽管4.2K下上临界场可高达27T，然而其载流性能会随着磁场的升高极速衰减，再加上其具有很强的应力应变载流退化特性，因此其目前普遍应用于大载流而磁场强度低于15T的磁体研制。然而伴随着超导磁体技术的快速发展，国内外大型科学仪器与装置对高场磁体的需求与日俱增。如未来的聚变示范堆DEMO要求磁场高于15T，目前设计的中国聚变示范堆CFETR中心螺管磁场强度需求为17T，且未来高能加速器磁场强度将达到20T以上。因此，目前现有的低温超导体的CICC导体不能满足应用需求。
基于聚变堆、加速器等装置对高场磁体的需求以及实用化超导材料研究进展，人们将目光投向了在高场下具有高载流性能的二代高温超导材料ReBCO，其在4.2K，40T下载流性能（相较于10T磁场下）几乎无衰减，发展高场应用的高载流ReBCO CICC导体是解决未来高场磁体需求的有效途径之一。此外，其可以在77K强磁场下承载大电流，是真正能够在液氮温区下运行的超导材料。因此，大型ReBCO CICC导体的设计与研发还将大大降低装置的运行成本，带来一定的经济效益。
然而，ReBCO作为第二代涂层导体，带材是其主要的应用形式。广泛应用的CICC导体技术采用的均是各向同性的超导线材，具有各向异性的ReBCO带材给CICC超导缆的设计与研制带来了一定的困难。目前，基于YBCO带材且可考虑的为ReBCO CICC超导线/缆的结构主要有三种，分别为超导扁带换位（Roebel）复合导体、超导扭曲堆叠（TSTC）复合导体以及螺旋形复合导体（CORC），这三种结构复合导体各有优缺点，其中Roebel电缆是采用多根带材编制而成，宽度远大于常规电缆，然而对磁体制造弯曲过程具有局限性；扭曲堆叠带复合结构是将多根带材堆叠后用钢丝捆绑后采用焊锡固定，此种结构在受到电磁力作用后性能衰退较大，且堆叠的厚度较大，只能缠绕于半径较大的圆柱体或是多边形柱体上；螺旋形复合导体是将超导带材绕制于实心芯材上，并在外侧用绝缘材料进行包覆，鉴于ReBCO带材的应力应变特性，其芯材需要达到一定的尺寸，进而会降低CICC导体的工程电流密度。目前针对适用于CICC的ReBCO超导缆没有统一的认可结构，但目标就是既具有高的载流性能与机械性能，同时还能满足大型磁体制造需求。
发明目的
针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用于ReBCO CICC超导缆的圆线结构。主要采用叠加的超导带材、铜/铝填充带、铜包带以及螺旋的超导带材一起组成一个圆形超导线结构，其既能够满足大型磁体的高临界电流、高载流密度要求，又具有良好的机械特性与磁体制造过程中的弯曲等变形需求，更重要的是相较国际上已有的ReBCO CICC超导缆设计，本发明把工程临界电流密度提高了20%以上（对于小型ReBCO CICC超导缆，工程临界电流密度最大提升可超过目前国际上已研制的超导缆的一倍），从而解决ReBCO超导带材在CICC型超导电缆应用过程中遇到的电缆绞制难题，并进一步降低二代高温超导体在大型导体应用上的成本。
发明内容
本发明提供一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，采用二代高温超导ReBCO带材、铜/铝填充带以及铜带/铜线等组成适用于CICC型超导电缆的ReBCO圆线缆。
本发明采用的技术方案是：
一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）采用宽度为1-6mm、厚度为0.05-0.1mm的ReBCO超导带材叠加成方形结构；
（2）在方形结构的四条边填充由Cu/Al带制成的弧形填充带，使得其外围成为圆形结构，其中弧形填充带的材料及尺寸可以根据最终电缆空间尺寸及机械强度要求来选择；
（3）在填充弧形填充带构成的圆形结构的外侧螺旋缠绕单层或者多层Cu/Al包带形成芯体，芯体的外径在1-20mm之间；
（4）根据载流性能需求，在Cu/Al包带的外侧螺旋缠绕ReBCO超导带材。
一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）采用宽度为1-6mm、厚度为0.05-0.1mm的ReBCO超导带材与Cu/Al带或者Cu/Al线叠加成方形结构，可以根据具体的载流与运行受力条件选择单层或者多层叠加的ReBCO超导带材中间进行单层或多层Cu/Al带或者Cu/Al线填充；
（2）在方形结构的四条边填充由Cu/Al带制成的弧形填充带，使得其外围成为圆形结构，其中弧形填充带的材料及尺寸可以根据最终电缆空间尺寸及机械强度要求来选择；
（3）在填充弧形填充带构成的圆形结构的外侧螺旋缠绕单层或者多层Cu/Al包带形成芯体，芯体的外径在1-20mm之间；
（4）根据载流性能需求，在Cu/Al包带的外侧螺旋缠绕ReBCO超导带材。
一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）采用沿径向开槽的Cu/Al芯材,根据具体运行工况的冷却需求，可以采用中间为空心或者实心结构的带槽Cu/Al芯材；
（2）在Cu/Al芯材的槽中插入多层同等宽度的ReBCO超导带材；
（3）根据载流性能需求，在Cu/Al芯材的外侧螺旋缠绕ReBCO超导带材。
在螺旋缠绕ReBCO超导带材的过程中，多根ReBCO超导带材以多层形式螺旋绕制在芯体上，每层包含至少一根ReBCO超导带材，不同层ReBCO超导带材沿芯体圆周方向相互叠加绕制。
在绕制结构中，可以有一个或多个非超导的导体材料绕制在两层ReBCO超导带材之间，相邻两层ReBCO超导带材缠绕方向可以相同或相反。
绕制ReBCO超导带材时，对带材施加预应力；同层多根ReBCO超导带材绕制时，带材之间有间隙。
至少有一个电气绝缘层或者热电阻导线绕制在芯体上，以提供失超热源。
绕制的ReBCO超导带材的超导层向内，超导层受压应力作用；相邻层ReBCO超导带材以相同或者不同的绕制节距进行绕制，多根ReBCO超导带材的绕制节距角度范围为20°到70°。
芯体的横截面形状是圆形、椭圆形或者是有外圆角的矩形，外圆角的半径小于3mm。
在相邻层的ReBCO超导带材之间可以用焊锡，并在绕制结束后进行加热融化处理，以提高高电流载流时不同超导带材的电流分布均与度；在相邻层的超导带材之间可以用润滑剂，以提高绕制大尺寸电缆后的机械可弯/绕性。
本发明的优点是：
本发明为了满足大型磁体制造过程中的弯曲及运行过程中的电磁等负载及载流性能需求，将ReBCO带材与铜带/铜线一起组成圆线结构，解决了ReBCO带材进行大型CICC导体制造的工艺难题。此外，设计由ReBCO带材制成的圆线以及电缆具有高的载流密度以及灵活的弯曲特性，其后期可以通过多级绞缆，从而成为可用的大型磁体CICC超导电缆。
附图说明
图1a是方形结构采用ReBCO超导带材叠加而成的应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构的两端截面示意图；
图1b是方形结构采用ReBCO超导带材与Cu/Al带或者Cu/Al线叠加而成的应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构的两端截面示意图；
图1c是采用带槽Cu/Al芯材的应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构的两端截面示意图；
图2a是采用小尺寸ReBCO圆线子缆（外直径小于6mm）多级纽绞成多级缆的示意图；
图2b是采用大尺寸ReBCO 6子缆（外直径大于10mm）+1固定芯纽绞成多级缆的示意图；
图3是 螺旋缠绕ReBCO超导带材组装圆线的示意图。
具体实施方式
如图1a所示，一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，包括如下步骤：
（1）采用宽度为1-6mm、厚度为0.05-0.1mm的ReBCO超导带材1.1叠加成方形结构；
（2）在方形结构的四条边填充由Cu/Al带制成的弧形填充带1.2，使得其外围成为圆形结构，其中弧形填充带的材料及尺寸可以根据最终电缆空间尺寸及机械强度要求来选择；
（3）在填充弧形填充带1.2构成的圆形结构的外侧螺旋缠绕单层或者多层Cu/Al包带3形成芯体，芯体的外径在1-20mm之间；
（4）根据载流性能需求，在Cu/Al包带1.3的外侧螺旋缠绕ReBCO超导带材1.4。
如图1b所示，一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，包括如下步骤：
（1）采用宽度为1-6mm、厚度为0.05-0.1mm的ReBCO超导带材2.1与Cu/Al带或者Cu/Al线2.5叠加成方形结构，可以根据具体的载流与运行受力条件选择单层或者多层叠加的ReBCO超导带材中间进行单层或多层Cu/Al带或者Cu/Al线2.5填充；
（2）在方形结构的四条边填充由Cu/Al带制成的弧形填充带2.2，使得其外围成为圆形结构，其中弧形填充带的材料及尺寸可以根据最终电缆空间尺寸及机械强度要求来选择；
（3）在填充弧形填充带2.2构成的圆形结构的外侧螺旋缠绕单层或者多层Cu/Al包带2.3形成芯体，芯体的外径在1-20mm之间；
（4）根据载流性能需求，在Cu/Al包带2.3的外侧螺旋缠绕ReBCO超导带材2.4。
如图1c所示，一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，包括如下步骤：
（1）采用沿径向开槽的Cu/Al芯材3.1,根据具体运行工况的冷却需求，可以采用中间为空心或者实心结构的带槽Cu/Al芯材3.1；中间的空心结构中设置冷却通道3.2；
（2）在Cu/Al芯材3.1的槽中插入多层同等宽度的ReBCO超导带材3.3；
（3）根据载流性能需求，在Cu/Al芯材3.1的外侧螺旋缠绕ReBCO超导带材3.3。
如图3所示，在螺旋缠绕ReBCO超导带材的过程中，多根ReBCO超导带材以多层形式螺旋绕制在芯体上，每层包含至少一根ReBCO超导带材，不同层ReBCO超导带材沿芯体圆周方向相互叠加绕制；在绕制结构中，至少一个非超导的导体材料绕制在两层ReBCO超导带材之间，相邻两层ReBCO超导带材缠绕方向相反；绕制ReBCO超导带材时，对带材施加预应力；同层多根ReBCO超导带材绕制时，带材之间有间隙；至少有一个电气绝缘层或者热电阻导线绕制在芯体上，以提供失超热源；绕制的ReBCO超导带材的超导层向内，超导层受压缩力作用；相邻层ReBCO超导带材以相同或者不同的绕制节距进行绕制，多根ReBCO超导带材的绕制节距角度范围为20°到70°；芯体的横截面形状是椭圆形或者是有外圆角的矩形，外圆角的半径小于3 mm；在相邻层的ReBCO超导带材之间可以用焊锡，并在绕制结束后进行加热融化处理，以提高高电流载流时不同超导带材的电流分布均与度；在相邻层的超导带材之间可以用润滑剂，以提高绕制大尺寸电缆后的机械可弯/绕性。
图2中所示为由图1中任一结构的高温超导ReBCO线缆组成的适用于CICC结构的多级缆结构，其具体实施方式为：
根据需求CICC导体具体载流性能要求，选择图1 中的ReBCO线缆结构作为ReBCO圆线：
（1）图2a中的多级缆结构制作步骤为：
从内到外主要由中心冷却管1、子缆（外直径小于6mm）以及最外侧的不锈钢包带3组成：首先根据需求的组装ReBCO圆线2的数量确定采用子缆采用一级或多级缆进行绞制，在子缆绞制过程中可以根据具体运行负载及分流要求，加入单根或多根Cu芯材料4，然后根据磁体冷却及压降控制需求确定中心冷却管大小；最后在最外侧采用316L（N）等不锈钢包带进行半叠包，以确保电缆结构的整体性并起保护电缆的作用；
（2）图2b中的多级缆结构：
根据CICC超导缆设计尺寸需求、运行负载条件以及冷却需求设计中间带螺旋槽的支撑结构5，其可以通过铸造、切割加工或者直接化学法生长成而制成；根据需求CICC导体具体载流性能要求，计算图2b中单根子缆（外直径大于10mm）的ReBCO圆线6的根数及缠绕层数，并按照上述ReBCO超导圆线/单级缆的制作方法进行单根缆制造；按照螺旋槽依次进行单根缆的安装；在外侧以半叠包形式缠绕一层或多层不锈钢包带。
Claims (10)
1.一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）采用宽度为1-6mm、厚度为0.05-0.1mm的ReBCO超导带材叠加成方形结构；
（2）在方形结构的四条边填充由Cu/Al带制成的弧形填充带，使得其外围成为圆形结构，其中弧形填充带的材料及尺寸可以根据最终电缆空间尺寸及机械强度要求来选择；
（3）在填充弧形填充带构成的圆形结构的外侧螺旋缠绕单层或者多层Cu/Al包带形成芯体，芯体的外径在1-20mm之间；
（4）根据载流性能需求，在Cu/Al包带的外侧螺旋缠绕ReBCO超导带材。
2.一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）采用宽度为1-6mm、厚度为0.05-0.1mm的ReBCO超导带材与Cu/Al带或者Cu/Al线叠加成方形结构，可以根据具体的载流与运行受力条件选择单层或者多层叠加的ReBCO超导带材中间进行单层或多层Cu/Al带或者Cu/Al线填充；
（2）在方形结构的四条边填充由Cu/Al带制成的弧形填充带，使得其外围成为圆形结构，其中弧形填充带的材料及尺寸可以根据最终电缆空间尺寸及机械强度要求来选择；
（3）在填充弧形填充带构成的圆形结构的外侧螺旋缠绕单层或者多层Cu/Al包带形成芯体，芯体的外径在1-20mm之间；
（4）根据载流性能需求，在Cu/Al包带的外侧螺旋缠绕ReBCO超导带材。
3.一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）采用沿径向开槽的Cu/Al芯材,根据具体运行工况的冷却需求，可以采用中间为空心或者实心结构的带槽Cu/Al芯材；
（2）在Cu/Al芯材的槽中插入多层同等宽度的ReBCO超导带材；
（3）根据载流性能需求，在Cu/Al芯材的外侧螺旋缠绕ReBCO超导带材。
4.根据权利要求1、2、3中任一项所述的一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，其特征在于：在螺旋缠绕ReBCO超导带材的过程中，多根ReBCO超导带材以多层形式螺旋绕制在芯体上，每层包含至少一根ReBCO超导带材，不同层ReBCO超导带材沿芯体圆周方向相互叠加绕制。
5.根据权利要求4所述的一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，其特征在于：在绕制结构中，可以有一个或多个非超导的导体材料绕制在两层ReBCO超导带材之间，相邻两层ReBCO超导带材缠绕方向可以相同或相反。
6.根据权利要求4所述的一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，其特征在于：绕制ReBCO超导带材时，对带材施加预应力；同层多根ReBCO超导带材绕制时，带材之间有间隙。
7.根据权利要求4所述的一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，其特征在于：至少有一个电气绝缘层或者热电阻导线绕制在芯体上，以提供失超热源。
8.根据权利要求4所述的一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，其特征在于：绕制的ReBCO超导带材的超导层向内，超导层受压应力作用；相邻层ReBCO超导带材以相同或者不同的绕制节距进行绕制，多根ReBCO超导带材的绕制节距角度范围为20°到70°。
9.根据权利要求4所述的一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，其特征在于：芯体的横截面形状是圆形、椭圆形或者是有外圆角的矩形，外圆角的半径小于3 mm。
10.根据权利要求4所述的一种应用于CICC的高温超导ReBCO线缆结构制作方法，其特征在于：在相邻层的ReBCO超导带材之间可以用焊锡，并在绕制结束后进行加热融化处理，以提高高电流载流时不同超导带材的电流分布均匀度；在相邻层的超导带材之间可以用润滑剂，以提高绕制大尺寸电缆后的机械可弯/绕性。
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