[发明专利]一种大型D形Nb3

说明书

本发明公开了一种大型D形Nb₃Sn超导线圈热处理装备，包括有D形炉壳、保温层、D形加热室、D形环腔均温辐射屏、保护气体循环导流系统和气体管路等。该热处理装备是针对D形超导线圈设计的专用热处理设备，同时可用于其他D形工件的热处理。保护气体循环导流系统的设计一方面可将超导线圈热处理温度均匀性提高至±3℃，另一方面保证了超导线圈的清洁度。本发明优点在于，热处理装备采用冗余设计的思想，提高了超导线圈热处理的安全性和可靠性。采用保护气体循环导流的热处理方式，提高超导线圈的热处理温度均匀性的同时也可降低设备的建造成本。本系统适用于热处理长22m，宽15m的大型D形超导线圈，满足大型D形Nb₃Sn超导线圈热处理技术要求，提高Nb₃Sn超导线圈的超导性能。

技术领域

本发明涉及D形Nb₃Sn超导线圈热处理技术领域，尤其涉及一种大型D形Nb₃Sn超导线圈保护气氛热处理炉系统。

背景技术

能源短缺和传统化石能源使用过程中带来的环境污染是当今世界范围内各国发展的两大关键问题。相比于裂变核能，聚变能资源更为丰富、质能密度高、无高放射性废物排放、环境友好，是未来的理想新能源，同时也是目前看来最有可能解决人类长久能源问题的可行途径之一。目前国际上聚变能源科学研究主要包括磁约束聚变和惯性约束聚变，磁约束聚变能的科学可行性在托卡马克装置上得到验证，表明托卡马克类型装置是最有可能首先获取聚变能的途径。

中国聚变工程试验堆(CFETR)是中国自主设计和建造的托卡马克试验装置。CFETR磁体系统主要包括纵场线圈(TF)、极向场线圈(PF)、中心螺管线圈(CS)。CFETR TF线圈共16组，TF超导线圈的形状如同一个大写的D字，TF线圈长为约22m，宽约15m，厚约1m，TF线圈用于产生环向场，用来约束等离子体。

TF的最高磁场将达到14.8T，采用高性能的Nb₃Sn超导材料进行研制。Nb₃Sn线圈在绕制成型后，需要经过一定的热处理以发生固态扩散反应，从而生成A15超导相。热处理是Nb₃Sn超导线圈制造的关键技术，热处理的好坏将直接决定未来线圈的超导性能。

Nb₃Sn超导线圈热处理的温度和温度均匀性，这两个因素对Nb₃Sn的超导性起着至关重要的作用。高性能Nb₃Sn超导线圈热处理制度为，升温速率：5℃/h，降温速率5℃/h，降到 500度后，随炉温冷却；关键保温区间：210℃保温48小时，400℃保温48小时，640℃保温50小时。升温阶段，要求线圈温度均匀性为±10℃以内；保温阶段，要求各保温平台线圈的温度均匀性为±5℃以内。

目前，国内外均没有针对如此大型D形线圈设计的热处理炉，由于CFETR装置的需要，建造如此大型的热处理装备是完全必要的。目前，用于大型D形Nb₃Sn超导线圈热处理装备，克服的难点主要有以下几个方面：

(1)热处理的工件，即：D形Nb₃Sn超导线圈，形状不规则且体积大；

(2)超导线圈热处理对温度具有敏感性，温度均匀性需要控制在±5℃以内。

(3)热处理装备建造成本高及工艺控制存在复杂性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明针对大型D形Nb₃Sn超导线圈首次设计的大型D形热处理装备，采用保护气氛的热处理方式，降低了热处理装备的造价。保护气体循环导流系统的设计一方面可将超导线圈热处理温度均匀性提高至±3℃，另一方面保证了超导线圈的清洁度。

本发明提出一种大型D形Nb₃Sn超导线圈热处理装备，包括D形炉壳、保温层、D形加热室、D形环腔均温辐射屏、保护气体循环导流系统和气体管路；