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低温在超导电缆中的应用

低温在超导电缆中的应用 中科富海
2023-03-08
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1911年,荷兰物理学家昂纳斯(K.Onnes) 将水银冷却到约4.2K时,发现电阻突然下降到无法测量的程度,并且转变前后电阻值的变化幅度超过上万倍。 电阻的消失意味着物质已转变为某一种新的状态,这种电阻突“消失”的状态被称为超导态。


超导态的发现为超导体的实际应用提供了可能性,低温超导材料分为金属、合金和化合物,具有低临界转变温度(Tc<30k),需要在液氦温度条件下工作。 具有实用值的低温超导金属是Nb(铌),Tc为9.3k已制成薄膜材料用于弱电领域。


低温超导材料已得到广泛应用。 在强电磁场中,NbTi导材料用作高能物理的加速器、探测器、 等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等。用Nb及NbN薄膜制成的低温仪器,已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号。




ITER用超导电缆

国际热核聚变实验堆(ITER)计划是目前正在 进行的世界最大的国际科技合作计划之一,也是迄今中国参加的规模最大的国际科技合作计划。其目的是建造一个可自持燃烧的超导核聚变实验堆,以对未来聚变反应堆和商用聚变堆的物理问题和工程 问题做深入的探索。装置主要由超导磁体系统、外真空杜瓦真空室及磁体馈线系统等部件组成。


中国在加入ITER 后,开始在国内首次开展低温超导电缆的研制,实现了材料、产品的国产化,并将低温超导电缆技术推广到了其它领域,如强磁场、 加速器、高场磁共振等领域。


TF CICC导体


CICC导体, 采用超导材料为传输载体,它具有良好的自支撑、较低的交流损耗、传输容量大、运行安全可靠等特点, 是目前国际上公认的受控热核聚变装置中的大型超导磁体线圈的首选导体。


根据线圈设计不同,CICC导体可设计为圆形或者方形。 超导电缆是CICC导体的主要组成部分, 由1000多根直径小于1mm 的超导线与铜线分多级绞制而成。紧压过程中,超导电缆内6根第4级子缆变形为梯形形状,谓之“花瓣”。


ITER超导磁体线圈CICC导体用超导电缆是一种多级电缆,共由5级子缆组成。超导电缆的单线由NbSn或NbTi超导单线和铜单线组成,四级缆一般使用花包带绕包,以减小交流损耗。


PF5超导电缆


强磁场装置用低温超导电缆


国家十一五重大科技基础设施“稳态强磁场实验装置(SHMFF)”于2008年5月开工,2017年9月通过国家验收。SHMFF建设过程取得了一系列成就,磁体技术和综合性能处于国际领先地位。 在国际上实现了强磁场实验条件从跟跑到领跑的跨越, 使我国稳态强磁场科学研究条件跃升至世界一流水平。强磁场装置超导电缆相对于ITER电缆 其外形尺寸更小由于其节距较大因此,在电缆绞制过程中没有技术难点与风险


加速器装置用低温超导电缆


强流重离子加速器

强流重离子加速器装置(HIAF)是中科院近代物理研究所提出的“十二五”重大科研设施,其主要目 的是解决我国空间探索和核能开发领域中与粒子辐 射相关的关键技术难题,探索原子核存在极限和奇特结构、宇宙中从铁到铀元素的来源,认识原子核内 有效相互作用以及研究高能量密度物质性质等重大前沿科学问题。


HIAF超导磁体是由中空超导电缆绕制而成。 由HIAF超导磁体磁场较低,其超导电缆全部采用NbTi超导材料。 中空电缆与CICC电 缆的区别在于,它是一次成型,外面绕制镍铬丝以保 证超导线不松散。

HIAF超导电缆

超级对撞机

在高能物理研究中,粒子加速器是人类探索物质世界、获知宇宙起源的重要途径。 为了获取更高 的能量,超导技术被应用到了加速器装置中,使超导加速器在经济上和技术上具有巨大的优越性。


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