超导磁浮危险物质输运系统屏蔽层性能研究.pdf 8页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn超导磁浮危险物质输运系统屏蔽层性能研#究1121*刘伟，康东，马光同，杨小峰5（1.成都理工大学核技术与自动化工程学院，成都610059；2.西南交通大学超导技术研究所，成都610031）摘要：针对目前危险物质的运输需求，本论文提出了一种基于超导磁悬浮技术的非接触式密封输运系统。该系统采用块材高温超导材料，配合永磁导轨实现稳定悬浮，以悬浮平台拖载10危险物质，在悬浮平台与基础磁性轨道间设置了保护屏蔽层，从而可以实现对危险物质的密闭式悬浮输运。本论文以放射性元素为例，实验研究了放射性屏蔽层引入后对于高温超导悬浮系统性能的影响。通过不同实验模式的对比，验证了放射性屏蔽层存在下，高温超导磁悬浮系统的运行有效性。论文的测试数据及主要结论可为非接触式输运系统设计及工程应用提供参考。15关键词：高温超导块材;放射性;悬浮;铅板;屏蔽中图分类号：7460E，7400ShieldingLayerPerformanceoftheHTSMaglevContact-lessTransportationSystem112120LIUWei,KANGDong,MAGuangtong,YANGXiaofeng(1.CollegeofNuclearTechnologyandAutomationEngineering,ChengduUniversityofTechnology,610059;2.AppliedSuperconductivityLaboratoryofSouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031)Abstract:Acontact-lessMaglevsystemwaspurposedinthisarticleforthetransportationof25hazardousmaterials.ThisMaglevsystemisbasedonthebulkhightemperaturesuperconductor(HTSC)andthepermanentmagnetguideway(PMG).TheshieldinglayercanbesetbetweentheHTSCandthePMG,whichconsistedasealedtransportationsystem.Theperformanceofhightemperaturesuperconductive(HTS)Maglevsystemwiththeexistenceofshieldinglayer,fortheradioactivematerials,wasresearchedinthisarticle.Bytheexperimentsofdifferentshieldinglayertype,the30effectivenessofHTSMaglevsystemwithshieldinglayerwasproved.Theexperimentaldataandanalysisofthisarticlecansupplybeneficialreferencesforthepracticalengineeringapplication.Keywords:bulkhightemperaturesuperconductor;radioactivity;levitation;leadplate;shield350引言以放射性元素为代表的危险物质在现代工业领域应用中常常面临运输与放置问题，如果稍有不慎，容易造成放射性或化学污染物泄露，危及环境及人员安全。如能采用非接触式的输运技术，即危险物质在密闭状态下运输或放置，则可大大减小污染物泄露风险，这其中，高温超导磁悬浮技术是一种理想的危险物质非接触式运行方式。40高温超导磁悬浮技术是基于块状二类非理想高温超导块材所特有的磁通钉扎特性，其可[1-3]以在超导态工作温度以及较强外磁场环境下维持高密度的临界电流。通过与外部磁激励源的特殊设计和配合，块状高温超导体可以实现六自由度稳定悬浮，并且在一定范围内具有基金项目：教育部博士点基金（20135122120016）；国家自然科学基金（51407015）作者简介：刘伟（生于1983年），男，副教授，硕导，主要从事超导技术及工程应用研究.E-mail:652165724@qq.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn悬浮状态的自恢复能力，不要任何主动控制技术配合校正。正是得益于这样的稳定被动悬浮特性，高温超导磁悬浮技术在交通、能源、国防等领域具有极高的应用价值和广阔的市场前[4-6]45景。本论文针对危险物质输运需求，提出了一种基于高温超导磁悬浮技术的非接触式输运系统，并通过实验测试验证了相关可行性。此外，针对常规高温超导磁悬浮系统悬浮间距较小的问题，本论文提出了采用预磁化高温超导磁体以增加悬浮间距的方法，以满足更大屏蔽保护层的设置需求，并对磁化后超导块材悬浮性能提升的原理进行了分析。相关分析和结论可50为危险物质的非接触式输运系统设计提供参考。1系统设计以放射性物质应用为例，本论文提出的非接触输运系统结构截面如图1所示。图1非接触式危险物质输运系统55Fig.1.TheSchematicdiagramofcontact-lesssystemforhazardousmaterials图1中，搭载物质（LoadingMaterials）放置于悬浮平台上，该平台底部为超导块材安置区域，可以选用目前应用较为广泛的基于熔融织构法制备的钇钡铜氧（YBCO）块状高温[7]超导材料（以下简称超导块材）。超导块材可以采用液氮（LiquidNitrogen，LN2）进行60冷却。当超导块材进入超导态后，其在永磁导轨（PermanentMagnentGuideway,PMG）上方可以处于稳定悬浮状态，间距为图1中Gap所示。在悬浮平台和PMG导轨之间，设置有Pb铅板，其主要用于屏蔽搭载物质的放射性射线。由于处于移动平台悬浮状态，因此铅板屏蔽层可以构成密封状态，其截面如图1中所示。在运输过程中，放射性物质处于悬浮平台上，在铅板构成的屏蔽层内移动，只有铅板屏蔽层的厚度足够，整个过程不会有放射性元素65泄露，处于安全的运输状态。与常规高温超导磁悬浮系统相比，危险物质非接触式输运系统增加了屏蔽保护层，为验证该系统的运行有效性，本文设计了相关实验进行验证。根据应用形式不同，分为无铅板、铅板外置式和铅板内置式测试模式。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn70图2铅板外置式实验测试示意图Fig.2.TheSchematicdiagramofouterleadplatetestingtype铅板外置式测试模式如图2所示，该模式下，YBCO块材处于液氮环境中，以维持其超导工作状态，而Pb铅板放置于液氮容器之外，因此在测试过程中，Pb铅板处于常温状态。75铅板内置式测试模式如图3所示，该模式下，YBCO块材和Pb铅板均处于液氮环境中。无铅板模式中，YBCO块材和夹具的结构与铅板外置式一致，只是没有Pb铅板存在。在测试过程中，YBCO块材及夹具依靠外部伺服电机驱动力进行垂直（Z）方向和水平（X）方向位移，而铅板的位置不变，始终处于PMG导轨上表面处。80图3铅板内置式实验测试示意图Fig.3.TheSchematicdiagramofinnerleadplatetestingtype本文实验使用的是矩形YBCO超导块材，块材长度为64mm，宽度为32mm，厚度为12mm，如图4所示。85铅及钨镍合金对于钴60在1.17、1.25、1.33MeV的γ射线的吸收系数分别为0.560、-1-10.601、0.593cm和0.937、0.932、0.911cm，半吸收厚度分别为1.238、1.153、1.169cm和0.740、0.744、0.761cm。由于钨镍合金的磁导率较高，会对永磁导轨的磁场造成明显影响，因此选择铅作为超导悬浮输运系统的屏蔽保护层材料。[8]根据放射性元素各向同性点源γ射线减弱k倍所需的屏蔽层厚度，要使1.25MeV的90γ射线衰减倍数k=1.5，则需要0.97cm厚度铅板，要使衰减倍数k=2.0，则需要厚度为1.28cm的铅板。由于高温超导磁悬浮系统在液氮温区下的悬浮力刚度较小，YBCO块材通常在永磁导轨上方20mm处才能产生较大悬浮力，再加上液氮容器的底部厚度，实际测试可以允许的最小间距Gap大约在10-15mm左右，因此本论文选择厚度为10mm的铅板进行相-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn关实验。95图4测试用超导块材及夹具Fig.4.ThebulkYBCOandclampusedintheexperiments测试过程中，YBCO块材及夹具与测试系统驱动机构连接，依靠伺服电机驱动进行位100置调节。整个测试过程中，YBCO块材始终处于环氧树脂容器内的液氮环境下，如图5所示。图5测试系统Fig.5.Thetestingsystem2实验与数据105测试过程中，定义坐标原点为PMG轨道上表面中心点。根据YBCO块材与PMG轨道间距Gap不同，记录相应垂向电磁力，即悬浮力（LevitationForce）值。以无铅板测试模式为例，首先将YBCO块材上升至Gap=35mm位置处，向环氧树脂容器中倒入液氮，让YBCO块材进行冷却，15分钟后，YBCO块材进入超导态，此时驱动YBCO块材下移，至Gap=15mm处，往复进行3次测试，并记录相应电磁力，其结果如图6所示。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn110图6无铅板状态悬浮力测试曲线Fig.6.Thetestedlevitationforcewithoutleadplate铅板内置式和铅板外置式的测试流程与无铅板状态基本一致，只是由于PMG导轨表面115及测试用铅板存在不平整性，YBCO块材的最低下降高度只能到达Gap=17mm处，其测试曲线分别如图7和图8所示。图7铅板外置式悬浮力测试曲线Fig.7.Thetestedlevitationforcewithoutouterleadplatetype120从测试曲线来看，无铅板测试状态和铅板外置式、铅板内置式测试状态相比，无明显区别，只是无铅板状态下，测试曲线构成的磁滞环面积，即下降曲线与上升曲线的间隔区域，比有铅板状态下更大一些，其主要原因是无铅板状态测试行程更大，最小Gap间距值达到了15mm，因此运动过程中经历的磁场梯度变化和磁力线运动更多，相应损耗也要高一些。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn125图8铅板内置式悬浮力测试曲线Fig.8.Thetestedlevitationforcewithoutinnerleadplatetype3对比与分析表1对第二次下降过程中，三种测试模式下，YBCO块材处于不同Gap间距时的悬浮130力进行了对比。可以看到，在第一次下降过程中，无铅板模式与铅板外置模式的悬浮力数值基本一致，但铅板外置模式在Gap=17mm时，悬浮力会出现略微的下降，这是由于铅板有微弱抗磁性，对于永磁导轨的磁场产生了轻微的磁屏蔽效果所导致的。而在铅板内置模式下，在Gap=20和17mm时，其悬浮力要明显小于无铅板模式及铅板外置模式。其主要原因是铅板浸泡于液氮中，其抗磁性会有所提升，对下方PMG导轨的磁场起到了更强的屏蔽作用，135因此铅板上方的YBCO块材经历的磁场梯度有所降低，宏观表现为悬浮力下降。表1不同测试模式下YBCO块材悬浮力Tab.1.thelevitationforceofbulksYBCOatdifferenttestingmodeGap/mm无铅板铅板外置铅板内置30-9.98-9.93-9.5625-2.11-1.62-1.372016.2615.8214.271728.8928.0726.02140为验证上述规律，将YBCO块材在永磁导轨上面水平位移了25mm后，重新进行了相关测试，同样取第二次下降过程中，三种测试模式下，YBCO块材处于不同Gap间距时的悬浮力进行对比，其结果如表2所示。表2水平位移25mm后不同测试模式下YBCO块材悬浮力145Tab.2.thelevitationforceofbulksYBCOwithalateraldisplacementof25mmGap/mm无铅板铅板外置铅板内置30-6.74-6.94-6.53259.668.967.332039.5838.8735.371764.4563.5560.12-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn从表2数据来看，其悬浮力值明显高于表1中数据。这是由于YBCO块材水平位移25[9,10]mm后，正好进入永磁导轨表面磁场梯度最大区域，因此产生的悬浮力更高。与表1类似的是，铅板外置模式所对应的悬浮力略低于无铅板模式，而铅板内置模式的悬浮力明显低150于前两个模式，说明液氮温度下，铅板的抗磁性的确有所增加，并且会对高温超导磁悬浮系统运行效率造成一定影响。从测试结果来看，无论是哪一种模式，YBCO块材均能产生较大悬浮力，在水平位移X=0mm处，有铅板存在的场合下，测试用的单个YBCO块材在Gap=17mm处可以产生约28N的悬浮力，即可以承载2.8kg的危险物质。而在水平位移X=25mm处，有铅板存在的155场合下，测试用的单个YBCO块材在Gap=17mm处可以产生约63N的悬浮力，即可以承载6.3kg的危险物质，表明高温超导磁悬浮系统具有良好的承载能力。在合理的摆放位置下，以及提升YBCO块材数量，其整体承载能力还可进一步提升，因此采用高温超导磁悬浮技术来实现危险物质非接触式输运是可行的。相比之下，如果铅板处于低温状态，其会对永磁导轨产生一定的磁屏蔽效应，降低悬浮系统工作效率，因此在实际工程应用中应尽量避免采160用该种模式。4结论本文针对危险物质运输的密封屏蔽需求，提出了一种基于高温超导磁悬浮技术的输运系统，可以实现危险物质的稳定悬浮和密封输运。相关测试结果表明，当设置有Pb铅屏蔽层时，超导块材仍能产生足够的悬浮力，及能够实现稳定悬浮，即用于非接触式输运系统是可165行的。同时，实验结果表明，常温状态Pb铅板屏蔽层的存在，几乎不会对超导悬浮系统造成明显影响，但如果Pb铅屏蔽层放置于液氮中，其会对下方永磁导轨的磁场造成一定的屏蔽，即造成超导块材悬浮力出现略微下降，因此在实际工程应用中，应当尽量避免Pb铅屏蔽层处于低温下的运行模式。致谢170本论文相关实验测试工作得到西南交通大学超导技术研究所刘峰、王志涛等同学的帮助，在此深表谢意。[参考文献](References)[1]E.Brandt.Frictioninlevitatedsuperonductors[J].Appl.Phys.Lett.1988,53:1554[2]F.Moon,M.YanoviakandR.Ware.Hystereticlevitationforcesinsuperconductingceramics[J].J.Appl.Phys.1751988,52(18):1534[3]Y.Shapira,C.Huang,etal.MagnetizationandmagneticsuspensionofYBa2Cu3Ox-AgOceramicsuperconductors[J].J.Magn.Magn.Mater.1989,78:19-30[4]F.Werfel,etal.ACompactHTS5kWh/250kWFlywheelEnergyStorageSystem[J].IEEETrans.Appl.Supercond.2007,17:2138-2141180[5]J.Wang,S.Wang,Y.Zeng,etal.Thefirstman-loadinghightemperaturesuperconductingmaglevtestvehicleintheworld[J].PhysicaC.2002,378-381:809-814[6]H.Fujimoto,H.Kamijo,etal.PreliminarystudyofasuperconductingbulkmagnetfortheMaglevtrain[J].IEEETrans.Appl.Supercond.1999,9(2):301-304[7]J.Wang,S.Wang,etal.LevitationforceofaYBaCuObulkhightemperaturesuperconductoroveraNdFeB-7- 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