第四章-3低温系统.pdf

低温系统 1 目 录 1. 聚变磁体与低温冷却 2. 低温制冷与氦液化 3. 大型超导磁体的低温系统  EAST磁体系统简介  低温系统的组成结构  低温系统热负荷及装置低温回路设计  装置降温及低温系统失超保护 2 聚变装置需要低温系统 目前，世界上已运行的大型超导磁体的超导材料主要采用低温超导 材料，如NbTi和Nb3Sn 。超导体只有在温度、磁场强度、电流密度三 维空间中所形成的临界面以下的很窄区域内才显示零电阻特性。常用 的超导材料NbTi和Nb3Sn 的临界参数如下： 材料 Tc(B=0) Bc(4.2 K) NbTi 9.2~9.5 K 11~12 T Nb3Sn 17.5~18 K 22 T 要使超导体工作于超导态，应将其温度降至临界温度以下，需要用 冷介质进行冷却。表1示出了标准沸点在100 K以下的几种低温制冷工 质。从表中可知对于NbTi和Nb3Sn只能用氦作为制冷剂来制冷。 3 表1：沸点在100 K以下的几种低温制冷工质 4 常用的几种冷却方式的特点 浸泡冷却是指磁体全部浸泡在液氦中，通过液氦的蒸发来带走磁体上热 负荷而冷却磁体。这种冷却方式相对简单，需要一绝热性能好的液氦杜瓦。 早期的超导磁体以及目前小型超导磁体均采用此冷却方式。 迫流冷却是指冷却介质在磁体中的冷却通道中流动来冷却超导磁体。迫 流冷却导体具有优越性，如减少液氦用量、没有浸泡式导体失超时引起过 压的危险性、易于绝缘、增加超导体的冷却面积、使装置变得更加紧凑、 建造费用率低等。它适用于大型超导磁体或形状特殊的磁体。虽然迫流冷 却低温容器相对简单，但其超导导体设计和加工工艺复杂。对于大型核聚 变超导磁体系统，其导体主要采用CICC (Cable in Conduit Conductor，电 缆导管导体) ，这是一种迫流内冷导体。 热传导冷却是一种间接冷却方式，即液氦不直接与超导体接触，它在超 导磁体表面的盘管中流动，通过盘管与超导体接触来冷却磁体或带走热负 荷。 5 世界上主要的核聚变实验装置中的基本参数和冷却方式 6 聚变超导磁体冷却的一般要求 超导体从环境温度降至其临界温度以下后进入超导态。然而，超导体必须 工作在比临界温度TC更低的温度下，才能保持其稳定运行。即保证超导体有 一温度余量： Tcs为分流温度。超导体的温度余量越大， 则其稳定性裕度越大，其抗热扰动能力越强。 要使超导磁体能稳定地运行，则需保证超导 磁体有足够的稳定性裕度，又不能要求温度 太低而大大增加低温系统的投资和运行费用。 通常，对于大型磁体的冷却，除了超导体本身的冷却外，还有其 电流引线、超导总线、线圈盒、支撑、以及热辐射屏的冷却等。 7 低温技术发展简史 Cryo：希腊语，译为“寒冷”或“冻结”的意思 温度尺度