磁悬浮系统中多芯复合Nb3Sn超导线磁通跳跃的可调性研究

超导磁悬浮列车在加速启动的过程中,载有恒定大电流的超导线圈处在变化的磁场中,这会导致超导线圈发生磁通跳跃,从而降低线圈的载流能力.并且磁通跳跃会产生大量热量而使超导线圈温度急剧升高,严重时会导致超导线圈失超,所以对磁通跳跃的研究具有非常重要的科学意义.Nb3Sn超导线是由多根微米级的超导芯丝、铜和环氧树脂形成的复合结构.本文通过约束每根芯丝的静电流为零的二维模型来分析三维绞扭效应,研究了超导线在交变磁场和恒定电流下的磁热不稳定性行为.通过分析交变磁场的幅值和频率对Nb3Sn超导线磁通跳跃的影响,发现当磁场幅值不变时,初次发生磁通跳跃的磁场阈值Bth随频率非单调变化.而当频率一定时,初次发生磁通跳跃的磁场阈值Bth随交变磁场幅值单调变化.此外,随着幅值的减小,发生磁通跳跃的频率区间先变大后变小,直到某个临界频率后超导线不再发生磁通跳跃.本文的研究结果能够为调控超导线的磁热不稳定性行为提供理论依据.

用多芯工艺制备高临界电流Cu—Nb_3Sn超导线

通过一种多芯粉末冶金工艺制备Cu—Nb_3Sn线材,是改善这种具有准连续Nb_3Sn纤丝超导体的一种途径。在这种导体中,一定数日的芯子嵌在铜基体甩,每根芯子的结构和目前文献上广泛报导的原位法导体相同。研究结果表明,这种多芯导体具有高的临界电流密度,特别是在场强低于14T的情况下。对于反应前钢—铌含量为Cu—38%Nb的85芯导体,Jc在4.2K下达到1.1×10~5A/cm^2(在11T下),7.6×10~4A/cm^2(在12T下)和6.0×10~3A/cm^2(在16T下)。这里的Ic判据为1μm/cm。这些值高于最佳化原位法或粉末冶金制备Cu—Nb_3Sn导体迄今所获得的结果。通过多芯工艺制备的Cu—Nb_3Sn导体,Kramer函数Jc^(1/2)H^(1/4)在高场区是Jc的线性函数。H~·c_2大约17.1T。机械性能优异于青铜法制备的导体。本文报导了多芯导体的制备工艺、超导性能、热处理和显微结构对Jc的影响。此外,对于进一步改善多芯导体也提出了一些看法。

17T 钬芯 NbTi-Nb_3Sn 超导磁体系统

本文主要介绍 NbTi—Nb_3Sn 高场超导磁体的设计、研制与实验,这个磁体由一个 NbTi 线圈和两个 Nb_3Sn 线圈组成,在4.2K 下,磁体最高中心场达14.42T,贮能为260KJ,是目前我国自行研制的最高场强的实用磁体。为了进一步提高这个 NbTi—Nb_3Sn 磁体的磁场。我们在磁体孔径中插入一对低纯度的钬芯,钬芯直径为25mm,间距为6.5mm。在4.2K 下,磁体的中心磁场提高达17T。

多芯绞扭Nb3Sn超导股线弹塑性损伤和临界电流不可逆退化的细观力学建模

Nb_(3)Sn被广泛接受是实现高场超导磁体的关键材料.然而,Nb_(3)Sn是脆性材料且其超导性能具有应变敏感性.在强磁场应用中,Nb_(3)Sn股线会受到显著的弹塑性应变甚至损伤,导致其载流能力下降.本文基于细观力学方法建立了三维平均场均匀化模型,研究多芯绞扭Nb_(3)Sn超导股线的弹塑性损伤行为和临界电流的不可逆退化.计算股线在单调和循环载荷作用下的等效应力-应变曲线以及Nb_(3)Sn内部的应变分布.采用辅以损伤引起退化的应变不变量标度律来表征临界电流的不可逆退化.研究发现,绞扭对股线弹塑性损伤行为和应变导致的临界电流退化起着重要作用.随着绞扭节距的增大,复合股线的刚度增大,应变极限(超过该极限时芯丝开始损伤)急剧减小.累积残余应变和芯丝的损伤共同导致超导股线临界电流的不可逆退化.实验观察到的“断崖式不可逆退化”是由于Nb_(3)Sn芯丝的损伤造成的.从力学的角度,短绞节距是缓解应变引起超导股线临界电流不可逆退化的良好选择.

有限元法模拟Nb_3Sn线材的应变分布

Nb3Sn超导磁体正常运行时,复合超导线材将受到大的机械载荷(如温度载荷、轴向拉伸和电磁力),其超导电性可能发生可逆和不可逆的退化。针对Nb3Sn线材经高温热处理后冷却到4.2K所产生的热应变,对复合线材结构建立详细的三维有限元分析模型,解决了一维模型不能详细模拟应变分布的问题,从微观尺度仿真了导体内部的应变分布,阐明了导体不同组份材料上热应变分布的特点。在此基础上,进一步分析了对Nb3Sn复合导线施加轴向拉力时,内部Nb3Sn芯丝上由压应变向拉伸应变的转换过程。

采用中子衍射研究内锡法Nb_3Sn的相形成

选取2种ITER用内锡法Nb3Sn复合超导线,采用原位中子衍射测量技术检测超导相的形成过程,通过添加第3种元素研究合金化Sn芯和合金化Nb芯对超导相形成过程及超导线超导性能的影响。结果表明:合金化Sn芯比合金化Nb芯丝有利于提高超导性能;少量添加第3种元素Ti与Sn形成合金能显著促进Sn的扩散和A15相的形成,并且能有效抑制Nb3Sn晶粒的生长,因此增加了晶界面积和钉扎力,增强了超导特性,提高了非铜区临界电流密度Jcn。

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)是目前全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5000m,临界电流Ic(4.2K,12T)均大于190A,磁滞损耗小于500mJ/cm3(4.2K,±3T),n值大于25;制备出满足ITER项目要求芯数为2600根的NbTi超导线,单根长度大于10000m,临界电流Ic值达到360A(4.2K,5T),n值大于30,磁滞损耗值小于45mJ/cm3(4.2K,±3T)的技术指标。

超导线的国产化之路

在参与ITER（InternationalThermal-nuclearExperimentReactor,国际热核聚变实验堆,简称：ITER项目）项目之前,我国的NbTi/Cu和Nb3Sn超导线尚处于实验室短样研发阶段,还没有建立起一条大批量制备的生产线.从研发到生产,存在诸多需要逐一解决的难题.

日本开发出在Nb3Al超导线上快速镀厚铜工艺

日本物质及材料研究机构超导材料研究中心与Hikifune公司共同开发出在km级Nb3Al超导线上快速镀厚铜工艺。与以前包覆轧制的线材相比，在极低温度下电阻可减少4～5倍，作为超导稳定化导体，可耐1000A级的运转电流，且断面可制成圆形，因此有望用于具有大型强磁场超导磁体的加速器和热核炉等多种用途。另外，该技术还可用于超导线以外的领域，如机械复合加工较困难的高强度钢琴线、光纤等需要高效、大量复合高质量铜的产品。

铋系氧化物高温超导线制成全球最强磁场

原先采用NbTi合金和Nb3Sn金属间化合物制成的磁场，其灵敏度和分辨率都满足不了蛋白质等生体高分子立体结构分析的要求。为此，日本物质与材料研究机构（NIMS）与神户制钢所等单位合作，采用铋系氧化物高温超导线，开发成功核磁共振（NMR）装置，可产生24T强磁场。