高温超导(HTS)应用进展4则

核磁共振21.6T磁体日本筑波磁体实验室(TML)在持久模式下运行了920MHz核磁共振(NMR)磁体,磁场21.6T,孔径54mm,这是至今超导磁体持久运行磁场的最高记录,该磁体外部为NbTi线圈(导体总重3444kg),内有几个Nb3Sn磁体(导体总重1382kg).作为正在进行的1GHz NMR磁体项目的部件,计划2002年1月在其中装入BSCCO-2212内插线圈,考虑到眼下HTS磁体磁场的衰减太大不利于核磁共振分析用,故该磁体尚不采用持久运行模式,估计用了该Bi2212磁体可使磁场达到23.5T(1GHz).据报道,完成高温超导试验后,NMR系统中就要用该磁体,与物理和化学研究所合作,进行蛋白质立体分析,弄清其结构和组成,以开发新药.     

我国研制成功首台3．2T传导冷却高温超导磁体系统

中科院电工所研制成功了我国第一台传导冷却高温超导磁体系统。高温超导磁体采用Bi2223高温超导带材制造，系统采用GM制冷机传导冷却，系统的充电速率达到5Ms，在运行电流120A的条件下，产生的中心磁场达到了3．23T。目前，该超导磁体系统已在实验室顺利通过了各种性能的测试，系统运行稳定。     

12 T/50 mm无液氦超导磁体低温系统热分析

为了使12 T/50 mm无液氦超导磁体在4.5 K低温下具有更好的运行稳定性,针对磁体线圈设计了传导冷却结构及低温系统。通过仿真软件,模拟低温环境下磁体线圈的温度分布,进一步对低温系统内部的导热结构进行优化设计。为了防止线圈在降温过程中产生过大温差导致热应力集中,根据低温系统在不同工况下的热负荷变化,对各部件降温过程进行瞬态模拟。模拟结果表明,12 T/50 mm无液氦超导磁体低温系统能够满足磁体线圈所需要的低温环境,即磁体线圈正常运行温度低于4.5 K,励磁温度低于6 K,降温及励磁过程中产生的最大温差低于20 K。     

传导冷却型低温超导磁体系统的设计与实验

采用4.2 K级小型低温制冷机作为冷源,可以将低温超导磁体冷却至5 K以下,使得超导磁体处在临界温度以下,从而实现无电阻运行。采用传导冷却的形式冷却超导磁体,具有系统结构简单等优点。讲述了一套采用单台1.5 W@4.2 K的制冷机作为冷源的低温超导磁体系统,其中超导磁体由三组线圈对组成,使用Nb Ti线绕制。系统自常温开机运行,约60 h后,超导磁体降温至4K,进入超导状态,可进行加电实验。当电流加载至70 A后,中心磁场强度达到4.26 T,达到设计要求。     

V-Nb-Mo-Al-Ga高熵合金的多晶型性与超导性

高熵合金具有结构多晶型性和超导性,是当前研究的重点.然而,多晶型转变仅在非超导的高熵合金中被观察到,且大多是在高压条件下.本文报道了(V0.5Nb0.5)3-xMoxAl0.5Ga0.5(0.2≤x≤1.4)高熵合金中的超导和温度驱动多晶型性.实验结果表明当x=0.2时铸态高熵合金具有单一的体心立方(bcc)结构,而当x值更高时则为bcc和A15的混合结构.经高温退火后,bcc结构向A15结构进行多晶型转变,且所有高熵合金均表现出块体超导电性.对于x=0.2的组分,其bcc晶型直到1.8 K仍不具备超导性,但其A15晶型却在10.2 K表现出超导性,估算零温上临界磁场Bc2(0)为20.1 T,该超导温度(Tc)和磁场强度在已知的高熵合金超导体中均为最高.随着Mo含量x的增加,A15型高熵合金的Tc和Bc2(0)均降低,但Bc2(0)/Tc比值表明在宽的x范围内存在无序诱导的上临界磁场增加.Tc的降低归因于电子比热系数和电声子耦合强度的减小.此外,该高熵合金的Tc对价电子数依赖关系与二元A15超导体和其他结构高熵合金超导体均不同,且表明可以通过降低价电子数目来进一步提高Tc.本文不仅揭示了一类新结构类型的高熵合金超导体,而且提供了高熵合金中依赖于多晶型性超导的首个示例.     

35 kJ高温超导磁储能(SMES)的热输运实验研究

研制了中国首台高温超导磁储能直接冷却系统,该系统不使用低温液体(液氦、液氮).在10-3Pa的真空度下,高温超导磁体线圈由1台单级GM制冷机从室温293 K冷却到19 K,Bi2223电流引线由另一台制冷机冷却到77 K以下.整个系统在通140 A直流电流的时候产生了4.5 T的磁场.系统连续运行480 h(20 d),磁体和低温系统各参数动态特性良好.实验研究表明,控制系统的漏热,优化磁体内部导冷结构,有效减少热传导部件的接触界面热阻是制冷机直接冷却高温超导磁体的关键技术.     

传导冷却超导磁体系统真空问题的试验研究

成功研制了6T NbTi 传导冷却超导磁体系统,制冷机为二级GM-制冷机.磁体冷却到4 K需用74 h左右,目前磁体系统已分别完成了115 A(6T),45 h和95 A,264 h的无间断运行实验.制冷机可在长达15天(359 h)的时间里,对系统抽真空并维持系统真空在1.5×10-2 Pa左右,其间不再使用扩散泵对超导磁体系统抽真空.     

国际热核聚变(ITER)用低温超导线研究进展

国际热核聚变实验反应堆(ITER)是目前伞球最大的国际合作研究项目.该计划将首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验室.研究解决核聚变关键技术难题,是人类实现受控热核聚变研究走向实用化关键的步骤.由低温超导线材绕制的磁体系统是ITER装置的核心部件.我们通过开展Nb3Sn及NbTi超导线批量化制备技术的研究,掌握了纵向场(TF)磁体及极向场(PF)磁体用高性能Nb3Sn及NbTi超导线制备的关键技术.生产出性能达到ITER项目的设计要求的青铜法Nb3Sn超导线和内锡法Nb3Sn超导线,单根长度大于5 000 m,临界电流Ic(4.2 K,12 T)均大于190 A,磁滞损耗小于500 mJ/cm3(4.2 K,±3 T),n值大于25;制备出满足ITER项目要求芯数为2 600根的NbTi超导线,单根长度大于10 000 m,临界电流Ic值达到360 A(4.2 K,5 T),n,值大于30,磁滞损耗值小于45 mJ/cm3.(4.2 K,±3 T)的技术指标.     

G-M制冷机作为冷凝泵在传导冷却超导磁体系统中的应用

成功研制了6 TNbTi传导冷却超导磁体系统,制冷机为二级G-M制冷机.磁体冷却到4 K需用74 h左右,目前磁体系统已分别完成了115 A(6 T),45 h和95A,264 h的无间断运行实验.制冷机可在长达15 d(359 h)的时间里,对系统抽真空,然后维持系统真空在1.5×10-2Pa左右,其间不再使用扩散泵对超导磁体系统抽真空.     

我国研制成功大型鞍式超导磁体

大型鞍式超导磁体研制是国家863计划能源技术领域的研究课题，从1986年开始，经过中国科学院电工研究所科研人员十多年的努力，1997年元月28日在研制成功的鞍型超导磁体上顺利完成超导状态下的通电试验。经过测试专家组现场测试，电流达868安培，磁场达4．06忒斯拉，并连续稳定地运行10小时，全部技术指标及性能均达到设计要求，宣告我国大型鞍式超导磁体研制成功。该大型鞍式超导磁体设计磁场强度为4忒斯拉，室温孔径为0．44米，有效磁场长度超过1米，它是由17层34饼鞍式超导线圈组成，仅用超导线就超过3．8吨。磁体放置在特制的卧式杜瓦容…     

粉末装管法Nb3Sn超导体反应热处理过程中的相转变

粉末装管法(PIT)制备的Nb3Sn股线由于能够提供高的临界电流和磁场,同时具有小的有效线径,可以用做下一代高场加速器的磁体.     

Fe25 Co25 Ni25 Cr5 P10 B10高熵块体非晶态合金磁热效应的研究

利用Fluxing提纯处理和J-Quenching技术相结合的方法成功制备了最大尺寸为1.2 mm的Fe_(25)Co_(25)-Ni_(25)Cr_5P_(10)B_(10)高熵块体非晶态合金,并对它的磁热性能进行的表征和研究,以探讨高熵效应对非晶态合金磁热性能的影响。目前的高熵块体非晶态合金的居里温度为572 K。在外加磁场为1.5和5 T时,它的最大等温磁熵变和制冷能力的值分别为0.66 J/(kg·K),42.9 J/kg和1.88 J/kg,136.1 J/(kg·K)。与其它非晶态合金磁热性能的对比显示,高熵效应对非晶态合金磁熵变似乎并没有明显影响,但高熵非晶态合金磁熵变随温度变化曲线显示了较大的半高宽温度区间。     

高温超导SMES磁体直接冷却的热分析

用G-M制冷机(5W/20K)将Bi2223带材绕制的SMES超导磁体,在10-3Pa真空度下,从常温300K左右冷却到25K,得到了磁体冷却过程速率和磁体温度分布.在实验研究超导磁体降温特性的基础上,对SMES磁体的冷却过程进行了热分析,实验研究表明为使超导磁体有效地冷却和稳定运行,除了减小磁体漏热和其内部发热,有效控制热传导部件间的接触界面热阻是高温超导直接冷却磁储能装置研发应用中的关键技术问题.     

小型室温磁制冷系统的研制

设计并搭建了一台小型室温磁制冷系统,进行了初步性能实验研究。系统采用双层同轴Halbach永磁组,磁体旋转后可在中心处获得最大1.3 T磁场;在主动磁回热器两端设计了双通道流路,可有效避免系统流体死体积;驱动控制系统利用多轴伺服驱动器对磁体和水力活塞运动进行控制。样机采用了直径0.55—0.80 mm钆球作为制冷工质、p H值为11的氢氧化钠溶液为换热流体,进行了初步实验研究,考察了利用系数对制冷温跨的影响等。在高低温端绝热与运行频率0.60 Hz的情况下,实验获得13.3 K的最大无负荷制冷温跨;在运行频率为0.4 Hz时最佳利用系数为0.35,此时无负荷制冷温跨为12.1 K。     

粘结NiMnGaSi合金的结构、相变和大磁致应变研究

采用还原扩散方法制备了NiMnGaSi合金粉末,并粘结成磁体.磁测量表明粘结磁体的马氏体相变开始温度MS为308 K,居里温度TC为358 K.磁致应变测量发现粘结NiMnGaSi磁体在300 K、0.7 T的磁场下具有0.56%大磁致应变.     

增材制造技术制备高熵合金的研究现状及展望

高熵合金是近年来发现的一种新型合金,因其独特的设计理念、组织结构以及优异的性能,短短数年内获得了大量科研工作者的关注。由于高熵合金高成本的特点,采用传统制备工艺制备高熵合金结构件造成了一定浪费,尤其是在高精密复杂零部件方面。而增材制造是根据零件的三维数据直接制造出实体零件的技术,能够在很大程度上解决高熵合金在复杂零部件方面制备浪费的问题。同时,增材制造技术具有精确制造、快速凝固的特点,比传统制备工艺更能够保证合金的组织均匀性,也更有利于合金的组织细化,可以进一步发挥高熵合金性能的潜力。然而,高熵合金和增材制造都属于发展时间较短的新型研究方向,针对增材制造高熵合金的研究也尚处于起步阶段。本文介绍了高熵合金最常使用的几种增材制造技术,重点阐述了用增材制造技术制备的高熵合金的组织演变规律、力学性能、耐腐蚀性这几方面的研究进展,并对高熵合金复合材料的研究现状进行了归纳,同时对增材制造高熵合金的进展及优缺点进行了总结,并对增材制造技术制备高熵合金的研究提供了一些思路。     

高温超导交流磁体气冷电流引线的优化设计和实验

通过研究交流超导磁体气冷电流引线两段式模型的优化设计,使得其向低温系统的漏热达到最小,并自行设计热测法实验装置进行了实验研究.结果表明在引线顶端温度为300 K、引线下端温度为77 K、引线传输电流为460 A的情况下,得到最佳引线直径为7.9 mm,与实验值8 mm符合.对交流电流引线的趋肤效应进行了分析和讨论.     

40-T混合磁体外超导线圈迫流氦流动摩擦系数分析

40-T混合磁体外超导磁体使用4.5 K超临界氦进行迫流冷却。迫流氦在管内电缆导体(CICC)内的流动过程受到摩擦阻力的影响会造成一定的压降和热量产生,同时由外界带来的热量也会由迫流氦带走来让磁体保持在超导温区。使用了超导磁体实际运行过程中的实验数据计算不同导体结构下雷诺数与摩擦系数的变化关系,利用Katheder经验公式对实验的摩擦系数进行了重新拟合,给出了适用于该导体摩擦系数的经验公式。     

高场磁体用Nb3Al超导线材研究进展

Nb3Al超导体的超导转变温度(Tc)和上临界磁场(Hc2)与Nb3Sn类似,但具有更好的应力应变容许特性和高场临界电流密度(Jc)。因此,被认为是下一代高场磁体应用的理想材料。目前国际上报道的Nb3Al超导线材单根长度可以达到2.6 km;在4.2 K和15 T条件下,Jc达到1 000 A/mm2;但是由于制备工艺的复杂性,目前仍然无法实现大规模工业化应用。首先阐述了Nb3Al超导材料的基本特性,如Nb/Al扩散间距小、二者硬度匹配性小和低温热处理导致Al含量偏离化学计量比等,以及由此带来的材料加工和热处理方面的难点;系统介绍了近年来针对Nb3Al超导长线性能提升,在前驱体制备工艺、热处理工艺和表面覆Cu工艺方面的研究进展,并对不同的工艺进行了比较分析,重点讨论了线材制备过程中存在的关键性难点问题;最后,对Nb3Al超导材料的发展趋势进行了展望。     

高熵合金增材制造研究进展

基于不同的高熵合金(high-entropy alloys,HEAs)体系,综述了增材制造高熵合金的最新研究进展,阐述了不同成分高熵合金增材制造的快速凝固微观组织、偏析和析出行为,着重分析了增材制造高熵合金的力学性能、变形及强化机理.指出不同的高熵合金体系应选择适合的增材制造工艺,并且成型质量的影响因素还有待进一步研究,最后提出利用增材制造技术可以研发和制备出具有优异强度-塑性组合的高熵合金.