一种高温超导CICC导体及其制造方法与流程

本发明涉及托卡马克装置中超导导体领域，具体是一种高温超导CICC导体及其制造方法。

背景技术：

清洁能源—聚变能的使用是人类的梦想之一，托卡马克型磁约束核聚变装置是产生聚变能的可靠装置，全超导托卡马克是实现聚变堆连续运行的重要保障。中国在成功建立并运行全超导非圆截面托卡马克EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）的基础上，积极开展国际热核聚变实验堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）的建设工作。同进，各个国家也开始了下一代聚变堆的预研工作。超导电缆是托卡马克装置的重要部件，其技术是聚变工程的关键技术。下一代聚变堆的显著特点是，中心螺管线圈及纵场线圈的最高磁场都将超过12T。受低温超导线材上临界磁场的限制，采用传统低温超导材料不可能制备出更高磁场的磁体，绕制更高磁场的磁体要求材料在超过20T的磁场中仍能够保持较高临界电流密度。因此，寻求具有更为优良综合性能的超导材料和高场磁体是未来可控磁约束聚变示范堆和商业化过程中必须解决的问题。陶瓷氧化物高温超导材料因其在4.2K下具有极高的不可逆场和优异的磁场载流特性，因此是建造高场磁体的理想材料。在高温超导材料中，Bi2Sr2Ca1Cu2OX(Bi-2212)是唯一可制备成各向同性圆线的材料，其在4.2K即使外场高达45T依然能够承载具有实际应用意义的工程电流密度，因此是目前最具高场下(>20T)应用前景的高温超导材料。

制造CICC导体的两个关键部件是超导电缆和导体铠甲。首先，由于Bi-2212超导材料属于陶瓷材料，力学性能较差，低温运行过程中，由于热伸缩和罗伦兹力的作用，超导材料的内部很容易出现芯丝断裂，从而导致临界性能的降低。为此，我们设计了一种新型结构的电缆和电缆绞制工艺，经过验证，新型的电缆结构和绞缆工艺完全满足设计要求，因而解决了Bi2212电缆绞制的难题。

导体结构设计方面，传统的CICC导体从内到外一般由中心冷却管、超导电缆、叠包带、铠甲组成。对有些CICC导体，其冷却介质从电缆空隙中通过，因此没有中心冷却管。而对于Bi2212 CICC导体，可以选择与传统CICC导体相似的结构，但需要稍加改进。这是由于Bi2212超导线特殊的热处理环境所致。首先，Bi2212热处理需要高温、较高压力、纯氧环境，因此，很多材料在高温氧气中会发生氧化，变形。二是，Bi2212超导体的生成，需要氧元素参与反应。而合金，例如不锈钢或镍基合金中的元素高温下会和氧气反应，从而影响Bi2212的生成，导致超导线性能下降。即使使用镍基高温合金作为铠甲，也可能会影响Bi2212超导线的性能。而且高温合金强度高，难加工，且成型时可能会损伤电缆。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高温超导CICC导体及其制造方法，以解决现有技术托卡马克装置中超导导体存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种高温超导CICC导体，其特征在于：包括：

超导电缆，超导电缆上螺旋缠绕有Ag或Ag-Mg合金材料制成的叠包带，

内层保护层，由316L材料制成的叠包带包覆缠绕在包有Ag带的超导电缆上，

外层铠甲，其包覆内层铠甲，外层铠甲由不锈钢材料制成。

一种高温超导CICC导体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、超导电缆绞制：将多股超导线绞在一起形成超导电缆；超导电缆的绞制将根据电缆的结构，分多级绞制而成；绞缆设备要求全退扭，张力自动控制可调，模具使用四氟聚乙烯材料，一级缆的张力不超过20N，二级缆张力不超过40N，三级缆张力不超过70N，四级缆张力不超过150N，五级缆张力不超过250N； 电缆的Ag叠包率大于50%，外层绕包一层316L用于保护不锈钢包带，其叠包率一般控制在30%－40%；电缆绞制过程中，不能出现压扁和断线的情况；

（2）、穿揽：将绕包有保护层的电缆穿入外层铠甲；

电缆完成后，将进行穿缆；先进行最外层不锈钢铠甲的焊接，焊接到导体要求的长度，然后再将电缆穿入焊接完成后的不锈钢铠甲，则穿缆完成；

穿缆过程中，要控制拉力不能超过50kN；

（3）、导体成型：穿缆结束后，电缆与与不锈钢管的间隙约2.0mm，因此需要对导体进行缩径，一是消除电缆与不锈钢之间的间隙，二是使导体内部满足约30%的空隙率；导体成型将使用自主研制的多道次成型机来完成；成型后的外径公差不超过0.2mm；

（4）、热处理：成型后的导体在使用前，需要进行导体样品性能的评估，样品的长度至少为4米；样品进行评估前，需要进行热处理；Bi2212导体热处理需要在高压、高温的氧气环境下进行，其中压力维持不超过50个大气压，需要在890度的高温下热处理48小时，氧气通过外连接，从导体的内部通过。

本发明为今后研发大型高温超导CICC导体以及大型高温超导线圈提供了重要的技术参考，实验证明此方法制造的CICC导体4.2 K温度中，自场条件下的载流能力大于10KA。而导体本身也可以作为实验平台进行更多性能测试，为今后大型高温超导CICC导体研制提供重要参数。

附图说明

图1为本发明导体结构正视图。

图2为本发明导体结构立体剖视图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种高温超导CICC导体，包括：

超导电缆1，超导电缆1上螺旋缠绕有Ag或Ag-Mg合金材料制成的叠包带2，

内层保护层3，其包覆缠绕有叠包带2的超导电缆1，内层保护层3由316L材料制成，

外层铠甲4，其包覆内层铠甲3，外层铠甲4由不锈钢材料制成。

一种高温超导CICC导体的制备方法，包括以下步骤：

（1）、超导电缆绞制：将多股超导线绞在一起形成超导电缆；超导电缆的绞制将根据电缆的结构，分多级绞制而成。绞缆设备要求全退扭，张力自动控制可调，模具使用四氟聚乙烯材料，一级缆的张力不超过20N，二级缆张力不超过40N，三级缆张力不超过70N，四级缆张力不超过150N，五级缆张力不超过250N。 电缆的Ag叠包率大于50%，外层绕包一层316L用于保护不锈钢包带，其叠包率一般控制在30%－40%。电缆绞制过程中，不能出现压扁和断线的情况。

（2）、穿揽：将绕包有保护层的电缆穿入外层铠甲；

电缆完成后，将进行穿缆。先进行最外层不锈钢（316L或316LN）铠甲的焊接，焊接到导体要求的长度，然后再将电缆穿入焊接完成后的不锈钢铠甲，则穿缆完成。

穿缆过程中，要控制拉力不能超过50kN。

（3）、导体成型：穿缆结束后，电缆与与不锈钢管的间隙约2.0mm，因此需要对导体进行缩径，一是消除电缆与不锈钢之间的间隙，二是使导体内部满足约30%的空隙率。导体成型将使用自主研制的多道次成型机来完成。成型后的外径公差不超过0.2mm。

（4）、热处理：成型后的导体在使用前，需要进行导体样品性能的评估，样品的长度至少为4米。样品进行评估前，需要进行热处理。Bi2212导体热处理需要在高压、高温的氧气环境下进行，其中压力维持不超过50个大气压，需要在890度的高温下热处理48小时，氧气通过外连接，从导体的内部通过。

本发明公开了一根新型的高温超导CICC导体，使用的超导电缆为Bi2212银基超导线。导体由Bi2212超导电缆、Ag或Ag-Mg叠包带、316L内层保护层、不锈钢外层铠甲构成。导体制造中的关键技术和工艺包括：电缆绞制、电缆穿缆、导体成型、导体热处理。

本发明导体结构从内到外分别由超导电缆、叠包带、内层保护层、外层铠甲构成。其中叠包带材料选择了Ag或Ag-Mg合金，这是由于内层铠甲的材料要满足一下几点要求：

1)在高温氧气中不会与氧气产生剧烈反应

2)热处理过程中，合金中的元素不会与Bi2212粉末发生反应

Ag-Mg合金不与氧气产生剧烈反应，且与Bi2212超导线的鞘层材料相同，因此不会影响Bi2212粉末与氧气的反应，生成Bi2212相。

316L不锈钢包带作为内层保护层，在穿缆和缩径时，可以保护电缆的叠包带不损伤，避免电缆与外部的不锈钢铠甲直接接触。

选择不锈钢作为外层铠甲，主要是起到支撑与保护作用。

本发明方法中：

在电缆穿入铠甲后，热处理之前，需要对导体进行缩径，已减小股线之间的空隙，保证在电磁力作用下股线不会发生大的应变。而缩经后的尺寸不宜太小，因为将导体缩经太小一会使股线遭受过度挤压，二是空隙太小会影响冷却剂的流动。因而，缩径尺寸的控制十分重要。

导体成型将使用多辊轮、多道次成型机进行导体的慢速成型，每次成型前都将先使用空管进行轮组调试，确保导体尺寸的精确。

导体制造流程如下：

超导电缆绞制 → 穿缆 → 导体成型 → 热处理。