國際核聚變裝置用超導電纜絞纜技術優化研究

滕玉平， 魏周榮， 張應俊， 李英姿， 李愛英，李國峰， 曾明武， 薛天軍

(1.中國科學院電工研究所，北京100190;2.甘肅長通電纜科技股份公司，甘肅白銀730900)

0 引言

隨著經濟的發展，人類對能源的需求量也越來越大，而煤炭及石油資源已日漸枯竭，替代能源的開發利用已成必然。當前開發的能源種類很多，其中最理想和最有前途的新能源之一是受控熱核聚變過程中產生的聚變能量。磁約束核聚變裝置中，托卡馬克磁體是最有希望實現可控核聚變反應堆的裝置。CICC(Cable-In-Conduit Conductors)超導導體，它具有良好的自支撐、較低的交流損耗、所需低溫冷卻介質少、運行安全可靠、性能高等特點，是目前國際上公認的受控熱核聚變裝置中的大型超導磁體等裝置的首選導體。

國際熱核聚變實驗堆(Intemational Thermonuclear Experimental Reactor ITER)計劃是由美國、日本、歐盟、俄羅斯、中國、韓國以及印度七方聯合籌建的大型磁約束聚變實驗堆。其中，中國投資約100億人民幣，以實物及技術參與項目開發。建造ITER的目的是在物理上對長脈沖氘氚自持燃燒進行實驗，在工程上對反應堆的技術進行可靠性探索。

熱核聚變裝置由18個縱場線圈、6個中心螺管線圈、6個極向場線圈以及18個校正場線圈組成。CICC超導導體是用于繞制熱核聚變裝置用超導線圈的重要材料。根據不同線圈的作用和要求，熱核聚變裝置超導系統總共有7種不同型號規格的CICC超導導體。我國主要承擔TF(Toroidal Field coils)型和PF(Poloidal Field coils)型兩種CICC超導導體的研制。中科院合肥物質研究院合肥等離子研究所為CICC超導導體技術總負責單位。TF型主要用于中心螺管線圈，PF型主要用于極向場線圈，CICC超導導體由一根外層不銹鋼管和一根套在其中的由多級子纜絞合成的CICC用超導電纜(以下稱超導電纜)兩部分組成。

2007年9月，甘肅長通電纜科技股份公司即參與超導電纜絞纜技術研發。2008年，該公司與西部超導材料科技股份有限公司聯合承擔國家“973”計劃“國際熱核聚變實驗堆用超導電纜絞纜過程優化研究”項目(項目編號2008CB717904)，項目目的在于對超導電纜的絞纜工藝技術進行優化，確定工業化絞纜的技術路線和技術方案，為工業化生產CICC超導電纜奠定基礎。

1 CICC超導電纜結構

TF型和PF型兩種型號CICC超導導體不銹鋼管內的超導電纜具有相似的結構和結構參數，只是在各級子纜的材料組成和單線直徑、絞合參數方面略有不同。TF型超導電纜各級子纜的單線直徑為0.82 mm，PF 型單線直徑為0.73 mm，超導單線與常規同直徑硬銅單線具有相似的物理機械性能。超導電纜第一級子纜由若干根銅線和若干根超導線材按照一定的絞合節距絞合構成，然后將若干根子纜單元再按照一定的絞合節距絞合構成二級子纜，同理再絞合成三級、四級子纜，最后絞合為成品(五級)超導電纜。其中，第四級和成品超導電纜外層設計有0.1×15 mm和0.1×25 mm的不銹鋼帶。圖1和圖2分別為CICC-TF型超導電纜工藝流程圖和各級子纜結構圖。

圖1 加工工藝流程圖

圖2 各級子纜結構圖

2 技術難點

2.1 空隙率的控制

空隙率是指成品超導電纜截面中空隙部分同超導電纜截面積比。由于當超導電纜傳輸交流電流時，超導體處在交變的磁場中，變化的磁場必將引起耦合電流。這個電流在股線中的芯絲、電纜中的股線及子電纜間流動，從而產生耦合損耗。制約交流損耗有兩大因素即股線間的電阻和磁場的變化率。因而，從結構的角度，超導電纜空隙率對股線的電阻和耦合損耗影響很大。當空隙率較大時，使股線間特別是扭絞的交叉點處的接觸變松，接觸電阻變大，耦合損耗變小。因此，CICC電纜子纜和五級子纜外的不銹鋼帶繞包節距及繞包張力對減小導線的交流損耗時間常數，從而減小交流損耗有著直接影響。但是當用不銹鋼帶包扎增大股線間的電阻，卻不利于電流的均勻分配，從而導致穩定性裕度降低。因此，CICC電纜絞纜過程中必須嚴格控制不銹鋼帶繞包張力，控制超導電纜外徑，達到既實現增大股線間的電阻，又保證股線間的電流的均勻分配，從而實現導線的穩定運行。

2.2 超導電纜外徑的控制

超導電纜采用的超導材料是鈮鈦合金或鈮三錫合金材料，西部超導科技公司提供的超導單線抗拉強度320～400 MPa，伸長率60%～80%，機械性能近似未經完全熱處理的常規同規格銅單線的性能。對于常規電纜而言，電纜外徑控制較容易實現，但由于超導電纜成品中不允許出現單線壓扁、不銹鋼帶的損傷等缺陷，更不允許出現單線的跳浜。超導電纜一級子纜到五級子纜均為右向絞制，電纜的結構松散，各級子纜的絞合質量對于外徑的控制及五級子纜的電纜外層是否有損傷有著直接的影響。

2.3 超導電纜潔凈度

國際熱核聚變實驗堆對超導電纜潔凈度要求非常高，其采購標準為每米雜質含量不得超過500 mg［1］。這就對超導電纜各級子纜絞纜過程中模具材料、模具孔徑選擇以及加工過程中的環境提出了很高的要求，各級子纜絞制過程中必須盡可能地控制銅屑和超導材料粉屑產生，并防止粉塵雜質混入。

3 試制加工

超導電纜絞纜技術開發試制至通過工藝評審共歷時近兩年，共絞制啞纜400 m(注:由于超導電纜采用的超導單線價格昂貴，每公斤單價近1萬元人民幣，因此前四次試制均以同規格的銅單線代替超導單線絞制，由此絞制的產品稱為“啞纜”(dummy cable))、超導纜5 m(超導線材由西部超導材料科技股份公司提供)。第一階段樣品試制于2008年8月完成TF型超導電纜的工藝技術開發，第二階段于2009年4月完成PF型超導電纜的工藝技術開發，2010年4月通過國家科技部組織的評審。以下以TF型CICC電纜為例說明絞纜試制加工過程。

(1)單線拉制。在連續退火中拉機上進行，銅絲拉制時采用半退火狀態拉制，退火系數0.3，標準參數要求單線直徑(0.820±0.005)mm，實際拉制單線平均直徑(0.823±0.003)mm，抗拉強度 362 MPa，伸長率71%。

(2)一級子纜A(3×0.82)絞制。采用6/ 200型管絞機，放線張力小于50 N，絞制后銅單線平均外徑0.822 mm，略有拉細，但仍在標準范圍內，實際節距77 mm，滿足標準參數要求(80±5)mm。

(3)二級子纜B(3×A)絞纜及中心線E=4×A絞制。采用 400型束絲機絞制，放線張力小于120 N，絞制后銅單線平均外徑0.821 mm，實際節距145 mm，滿足標準參數要求(140±10)mm。

(4)三級子纜C(5×B)。采用 400型籠絞機絞制，放線張力小于220 N，絞制后銅單線平均外徑0.821 mm，伸細在標準范圍內，實際節距191 mm，滿足標準參數要求(190±10)mm。

(5)四級子纜F(5×C+E)。采用 1000型成纜機絞制，實際節距310 mm，滿足標準節距參數要求(300±15)mm，四級子纜外有間隙繞包的不銹鋼鋼帶，因超導帶材專用不銹鋼帶材料供應問題，CICC超導導體總技術負責單位合肥等離子體研究所只能提供15×0.05 mm不銹鋼帶材，不銹鋼帶間隙率50%。四級子纜不銹鋼帶繞包張力直接影響超導電纜的耦合損耗，其外徑也影響到五級子纜的絞制，故四級子纜的絞制至關重要。成纜過程共用兩道哈夫模具，兩道哈夫模具孔徑差為0.5 mm，鋼帶包覆后實際外徑17.0 mm。

(6)五級子纜6×F+中間螺旋管(1422根單線)絞制。五級子纜加工為樣品試制最關鍵的環節。難點在于外徑控制并保證單線不受損傷。采用 1000型成纜機絞制，實際節距455 mm，滿足標準節距參數要求(450±15)mm。五級子纜外有重疊繞包的不銹鋼鋼帶，重疊率為40%，同樣，因CICC超導電纜專用不銹鋼帶材供應問題，試制過程中實際使用不銹鋼帶規格20×0.1 mm。

經多次試制，確定了哈夫模+多道輥壓輪緊壓+定徑哈夫模控制的外徑控制模式，并確定了各道次模具孔徑，最終試制外徑控制為40.5 mm，滿足標準要求。試制情況表明，各級子纜絞制過程中的張力控制尤其是張力的均勻性對于成品電纜外徑控制、表層損傷有直接的影響。

試制完成了多個啞纜樣品和成品超導電纜樣品的絞制，并送中科院合肥物質研究院等離子體物理研究所測試。經檢驗，CICC電纜的基本參數滿足標準要求。啞纜及成品纜樣品的試制成功為確定超導電纜工藝路線和工藝方案奠定了基礎。

2009年 5月和 2010年 3月，ITER裝置用CICC-TF型、PF型超導電纜絞纜工藝技術通過了中國國際核聚變能源計劃執行中心組織的工藝評審。

4 結束語

經過近兩年的努力，完成了ITER裝置用超導電纜絞纜工藝路線及技術方案的驗證。

各級子纜絞制中的張力控制尤其是張力的均勻性對于成品電纜外徑控制、表層損傷有直接影響。

五級子纜絞制加工尤其是外徑控制是超導電纜絞纜關鍵環節，多道輥壓+定徑哈夫模控制技術可有效地控制外徑，并不對單線造成損傷，基本滿足超導電纜絞制技術需要。

［1］Technical Specification ANNEX B of Procurement Arran ITER D27ZYMV［S］.