D型2G高温超导双饼线圈的研制与实验

瞿青云 马媛媛 刘华军 陈敬林 陈环宇

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

1 引言

能源问题是关系到人类社会未来发展的重要问题。传统的化石燃料不仅储量有限，并且其在燃烧过程中会产生大量二氧化碳，引起温室效应，破坏全球气候平衡。与化石燃料相比，核聚变反应所需要的燃料氘可直接从海水中提取，储量极为丰富;并且聚变核反应堆本身是安全的，没有核泄漏、核辐射等潜在威胁。开发核聚变能是未来能源技术发展的一个重要方向，利用超导托卡马克装置实现磁约束核聚变是人类探索和平利用核聚变能的一条重要途径。

20世纪50年代初期，前苏联科学家提出托卡马克的概念。1954年，第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。此后，欧洲、美国、日本等发达国家先后建立自己的托卡马克装置。

中国核聚变能研究始于20世纪60年代初。自20世纪70年代开始，集中选择了托卡马克为主要研究途径，先后建成并运行了小型 CT-6、KT-5、HT-6B及较大一些的HL-1M。1991年，中国开始开展超导托卡马克发展计划，探索解决托卡马克稳态运行问题。EAST装置是中国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置，于2006年1月建成，其主机主要由超导磁体系统、真空室、冷屏、外真空杜瓦以及支撑结构组成。2006年9月成功进行了等离子体放电试验，成功获得了电流超过200 kA，时间近3秒的高温等离子体放电。

在全超导磁约束托卡马克装置中，超导磁体系统是关键。磁体系统主要由纵场线圈、极向场线圈、中心螺线管线圈、校正场线圈等多种功能的磁体线圈组成。中国自主研发的全超导托卡马克装置，其超导材料全采用NbTi超导股线。ITER(International thermonuclear Experimental Reactor)TF(Toroidal Field)及CS(Central Solenoid)磁体最高磁场达12 T，超导材料采用Nb3Sn超导材料。随着聚变装置运行参数的不断提高，对超导材料的性能要求也越来越高，要求能产生更高的磁场。未来的聚变示范堆和商用堆，其功率可高达2 GW，磁场大于15 T。与Nb3Sn材料相比，高温超导材料 YBCO具有更高的临界磁场［1］，本征钉扎能力强、各向异性比较弱，可以在20 K温区附近较高磁场下有较大临界电流，具有较好的磁场性能，且其潜在的低制备成本和较少的交流损耗也有明显的优势，有希望替代Nb3Sn材料。

本文开展了高温超导带材进行D型磁体的研究，介绍了D型2G HTS线圈的制作工艺，并通过液氮实验对其性能进行研究与分析，检验线圈研制工艺可行性与可靠性，为探索高温超导材料在聚变装置中的应用进行了相关实验的研究。

2 D型双饼线圈研制

2.1 HTS 带材参数

实验所采用的是二代YBCO带材，与一代BSCCO带材相比，二代YBCO带材各向异性较弱，临界温度更高，载流能力更强且磁场下超导特性更好。为使磁体内部非超导接头数目尽可能减少从而减少磁体内部热干扰，提高磁体运行稳定性，D型线圈采用双饼结构［2］。绕制双饼线圈的超导带材采用美国AMSC公司生产的YBCO高温超导带材，其基本参数见表1。图1为厂家提供的该带材在不同温度下临界电流-外加磁场特性曲线，其归一化基值电流为90 A(77 K、0 T)。

表1 YBCO高温超导带材基本参数Table 1 Specifications of YBCO tapes

图1 YBCO带材不同温度下的Ic-B特性曲线Fig.1 Curves of critical current versus magnetic field intensity of YBCO tapes with different temperature

2.2 D型线圈骨架

由于托卡马克环向场磁体的磁场分布符合B∝1/R的规律，即磁通密度B正比于1/R。在这样的磁场形态中，D型线圈电动力在其中引起的应力是纯张力，无垂直方向的剪应力，从受力角度来看，要优于圆形线圈。D型线圈形状可以用微分方程表示:

式中k为常数。由式(1)可以得到积分式如式(2)所示:

式中C是常数，决定D型线圈的位置。在确定D型线圈的平均内半径Ri和平均外半径Ro的基础上，对上述积分式积分可得到D型线圈的形状参数。由于积分之后得到的是一条D型曲线，考虑到线圈研制实际情况，因此采用1段直线段及上下对称的5段圆弧段近似代替D型线圈的形状曲线，并据此确定D型线圈骨架结构与参数，如图2所示。

D型骨架采用导热较好的黄铜材料加工，其外侧裹附4层聚酰亚胺绝缘胶带并修剪多余边角至最终绕制尺寸，以此确保骨架的绝缘。图3为经绝缘处理后的D型骨架实物图。

2.3 D型线圈绕制

图3 绝缘处理后的D型骨架Fig.3 Frame of D-shaped coil after insulating treatment

由于厂家提供的YBCO带材已覆有聚酰亚胺高强度绝缘膜，因此在绕制线圈时可不再做匝间绝缘相关处理。与圆形双饼线圈一致［3］:D型双饼线圈由两个单饼组成，各自从YBCO带材长度中点恒张力反方向绕制;D型线圈绕制过程中，YBCO带材会同时发生沿带面及带宽方向的两种弯曲形变，可能造成带材载流能力退化;线圈中的第一匝带材由于同时发生两种弯曲形变，其载流能力退化最严重。因此，尽可能减小绕制过程中YBCO带材的弯曲形变是减小超导带材载流能力退化、提高双饼线圈性能的关键。

为此，在绕制D型双饼线圈时，采用YBCO带材环绕骨架弯曲一周的方法使带材轴向移动一个带宽，完成一个单饼到另一个单饼的过渡，以减小带材侧向弯曲，其展开图及实物图如图4所示［3］。同时，为降低线圈绕制风险与难度，将线圈带材长度中点位置定于D型骨架直线段中心，并采用特制绕线盒实现带材从带盒到骨架弧段、直线段的自然过渡。为保证线圈良好绝缘，在两个单饼之间贴有0.2 mm厚环氧玻璃布绝缘片。

图4 D型双饼线圈过渡区Fig.4 Transition zone of D-shaped double pancake coil

由于磁体大多工作在一定磁场条件下，为防止YBCO带材在电磁力作用下发生机械位移引起磁体失超，在绕制D型双饼线圈时，应在超导带材上施加一定的拉伸应力使带材层间尽可能紧密且线圈两侧面尽量平整。考虑到YBCO带材机械性能较差，拉伸应力过大会损伤带材内部超导芯，导致带材载流能力下降;应力太小又会使双饼线圈松散，不利于线圈整体性能的提高。因此，要选择合适的拉伸应力。根据YBCO基本参数(表1)及绕制经验，采用力矩电机控制器调控电机加在YBCO带材上的拉力，使拉力约为25¯30 N。需要注意的是，由于D型骨架的特殊形状，相同拉力作用下绕制D型线圈直线段部分时转速很快，容易造成直线段带材层间松垮并与骨架分离。因此绕制D型线圈直线段时应适当控制转速以保证带材紧密、贴合。

D型双饼绕组的内径为122.4 mm×185.6 mm，外径为199.4 mm ×262.6 mm，绕组径向厚度 38.5 mm，轴向宽度10.5 mm。D形绕组平面中线(平均匝长)为636 mm，线圈设计匝数220匝，用美国超导公司生产的Amperium铜加强4.8×0.35 mm2截面YBCO高温超导带材导线140 m。实际完成的双饼外径尺寸和用线量略大于设计值。

2.4 D型双饼固化

由于绕制时给YBCO带材施加的拉伸应力很难做到线圈层间不留空隙，因此，为防止磁体通电运行时带材的机械扰动，增加磁体的机械稳定性，需对绕制完成的D型双饼线圈进行固化，使其形成一个整体，以防止导线可能的运动。为保证磁体装配裕度、减小研制风险，通过对每个D型双饼线圈单独进行环氧树脂浸渍¯室温固化的方法完成线圈的固化处理。在对线圈进行环氧浸渍前，先对两端接头进行保护处理，然后用玻璃丝带以2个半叠包方式将整个线圈缠绕固定:第一可防止线圈在浸渍固化过程中带材发生松散;第二可让环氧胶吸附在吸收力强的玻璃丝带上而不易流出，使线圈充分浸渍，以保证线圈固化可靠性。图5为固化处理后的双饼线圈。

3 D型双饼性能测试

超导线圈是组成磁体的基本单元，合格的双饼是磁体成功的保证。因此，只有双饼线圈的Ic、n值同时达到或接近所有双饼的平均水平，并且在绝缘性、可装配性等方面均达到要求，才能用于组装磁体。在液氮温度(77 K)下，采用四引线法［4］对固化后的D型双饼线圈进行性能测试，分析双饼性能，检验上述D型线圈研制工艺的可行性与可靠性。双饼液氮实验系统如图6所示，表2为17个D型双饼线圈的性能测试结果。

图5 固化处理后的双饼线圈Fig.5 Double pancake coil after epoxy resin impregnation

图6 双饼线圈液氮实验系统Fig.6 Liquid nitrogen experimental system of double pancake coil

与YBCO短样带材相比，D型双饼线圈的临界电流都有一定程度的减小，这是因为当双饼线圈通流时会产生一定的磁场，磁场作用使得其临界电流有所下降(如图1所示)。忽略由于线圈绕制时带材承受的弯曲形变、拉伸应力对其临界电流的影响，根据厂家提供参数，可计算出绕制后的YBCO D型双饼线圈在77 K、自场下的临界电流约为50 A。

分析表2中各个D型双饼线圈的性能参数，可以发现:除 Y2#、Y3#、Y4#、Y9#外，其它 13 个双饼在77 K、自场下的性能良好且基本相同——其各自的临界电流测试值均可达55 A以上，优于理论计算值;此外，13个双饼的n值均可达35以上，与短样带材参数相比基本无太大变化，长线均匀性较好。

表2 研制的17个D型双饼线圈性能测试结果(77 K、自场)Table 2 Performance test results of D-shaped double pancake coils(77 K、self-magnetic field)

图7 为Y2#、Y3#、Y4#、Y9#4 个双饼线圈的 I-V 曲线，与其它性能相同的13个线圈相比(图中以Y17#为例)，该四饼线圈具有超导性能，但均在电流为20¯30 A时就开始有转变，且转变趋势非常缓慢，双饼性能较差。与其它各饼相比，该四饼的研制工艺完全相同，回溯整个研制过程，没有出现任何失误，鉴于该四饼n值均过小，结合其出厂编号推断该四饼线圈性能较差与其研制工艺无关，可能是由带材本身长线性能较差所致。

图7 部分双饼线圈I-V曲线(77 K、自场)Fig.7 Current-voltage curve of double pancake coils(77 K、self-magnetic field)

综上所述，该工艺制造的D型2G高温超导双饼线圈性能良好。

4 小结

详细介绍了D型2G高温超导双饼线圈的加工工艺和流程，并在液氮温度、自场条件下通过测量双饼线圈的I-V曲线对其性能进行分析与研究，实验结果表明:除带材本身因素外，该工艺制作的D型2G高温超导双饼线圈性能良好。为探索高温超导材料在聚变装置中的应用做出了相关实验研究，进行了有益的实验积累。

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3 瞿青云，刘华军，陈敬林，等.HTS双饼线圈的加工工艺及实验研究［J］.低温与超导，2013，41(9):42-46.Qu Qingyun，Liu Huajun，Chen Jinglin，et al.Processing techniques and experimental study on HTS double-pancake coils［J］.Cryogenics＆Superconductivity，2013，41(9):42-46.

4 李袖.第二代高温超导带材电磁特性的研究［D］.北京:华北电力大学，2011.Li Xiu.Research on the electromagnetic characteristics of the second generation HTStape［D］.Beijing:North China Electric Power University，2011.