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纯钛管在试验超导线圈的应用

发布时间:2021-07-19 06:34:42 浏览次数 :

日本原子能研究所(原研)与欧共体、俄罗斯、美国合作建立国际热核聚变实验堆(ITER),1992年开始进行工程设计活动(EDA)。

该EDA进行了各种先进装置的技术开发,而超导线圈的开发是其中的一项。环形磁场线圈(TF线圈)是由俄罗斯的埃夫列莫夫电气物理工程研究所制造的,是由日本原子能研究所设计、开发的,用钛管作包套组装Nb3Sn超导线。下面简述日本原子能研究所研发的采用纯钛管组装超导线圈的优点及其开发成果。

试验用超导线圈是由Nb3Sn超导线ll52根(直径0.81mm)的绞合线封入纯钛管中(管壁厚2mm,内径43mm),在支持板的内侧绕1层共9圈(高0.6m)组成(图1)。试验用超导线圈总体的外径为1.5m,高2.8m,支持板外侧围绕的不锈钢管是冷却支持板的。该超导线圈安装在ITER中的螺线圈的原型线圈中心部。原型线圈在13T磁场中流过46kA的电流。试验验证了该超导线圈达到了ITERTF线圈要求的性能Nb3Sn超导线在热应力或机械应力下其临界电流会下降,以往Nb3Sn超导线是封入不锈钢管中使用,而不锈钢管与Nb3Sn超导线的热收缩(温度变化为650C~一269C)差异会产生热应力,从而使超导特性下降。为此,要选择与Nb3Sn超导线热收缩率相同的材料作为封管。这样的材料有因科镍合金908和钛。日本原研考虑到纯钛在非磁性、耐蚀性、加工性等方面优于因科镍合金908,便对钛开始了试验开发工作。由金属管材质对小型Nb3Sn导体临界电流的影响试验结果;可知,采用纯钛管,当磁场为12T时,其临界电流值是采用不锈钢管的2倍。基于这个成果,在俄罗斯采用了壁厚为2mm的纯钛管作为试验用超导线圈的封管,并在日本原研获得通电成功,使ITER用的导体,其临界电流提高了30,使同样的成本获得了更高的运行性能。

纯钛管用于试验超导线圈的开发

由于ITERTF线圈发生非常大的电磁力,要求金属管具有足够的强度,另外,由于Nb3Sn超导材料要进行650C、240h以、上的热处理,因此金属管还必须耐这种热处理。从热收缩量来看纯钛是非常理想的材料,但是有必要研究时效处理对强度和韧性的影响。日本原研与新日铁公司协同研究了时效后纯钛的氧含量对在液氦温度(4K)下力学性能的影响。结果表明纯钛在4K下的力学性能取决于纯钛中的氧含量,氧含量在约0.1时,热处理后(650C,240h)也能保持其必要的强度和韧性。据此结果,试验用超导线圈所用管材选用了俄罗斯生产的氧含量为0.106的纯钛管

该技术也期望在需要高磁场、大电流线圈的电力贮能超导线圈等领域得到应用。

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