Диссертация (Влияние технологических и эксплуатационных факторов на характеристики сверхпроводящих токонесущих элементов для катушек тороидального поля магнитной системы ИТЭР)

2СодержаниеСодержание ............................................................................................................ 2Введение................................................................................................................. 5ГЛАВА 1. Проблемы при изготовлении кабелей и проводников для УТС(литературный обзор) ......................................................................................... 121.1.Сверхпроводимость в УТС .................................................................... 121.2.Сверхпроводящие провода .....................................................................

141.3.Сверхпроводящие токонесущие элементы........................................... 161.4.Проводники для магнитной системы ИТЭР, их изготовление ииспытания ............................................................................................................ 201.4.1. Изготовление проводников ....................................................................

211.4.2. Испытания проводников под полной нагрузкой ................................. 261.5.Стабилизация проводников и RRR ....................................................... 301.6.Постановка задачи исследования .......................................................... 34ГЛАВА 2. Материалы и методики .................................................................... 362.1.Методология исследования повреждения сверхпроводящих волоконNb3Sn провода после испытаний на установке «SULTAN» ...........................

362.2.Методология исследования измененияRRR сверхпроводящегопровода в процессе изготовления и испытаний проводников ....................... 372.3.Методология исследования процесса раскручивания кабеля призатягивании в оболочку ...................................................................................... 40ГЛАВА 3. Исследование дефектов в сверхпроводящих проводах послеиспытаний российского проводника TFRF3 на установке «SULTAN» ........ 433.1.Разработка методики подготовки образцов сверхпроводящего проводадля исследования его структуры ....................................................................... 443.2.Выбор оборудования и отработка режимов съемки для исследованияповерхности образцов .........................................................................................

483.3.Отбор исследуемых образцов ................................................................ 5033.4.Виды типичных дефектов ...................................................................... 513.5.Разработка программ и алгоритмов для количественного анализадефектов в сверхпроводящем проводе ............................................................. 523.5.1. Обработка изображений и разработка программы для определениякоординат дефектов ............................................................................................

533.5.2. Разработка программы для подсчёта площади пор, формирующихся вбронзовой матрице во время термообработки ................................................. 543.5.3. Разработкапрограммыдляподсчётаплощадиидлинысверхпроводящих волокон ................................................................................. 563.6.Результаты исследования дефектов в сверхпроводящих проводах,взятых из проводника RFTF3 прошедшего испытания на установке«SULTAN» ...........................................................................................................

583.6.1. Зависимость числа дефектов в сверхпроводящем проводе отдеформации изгиба ............................................................................................. 583.6.2. Поры,какфактор,влияющийнаобразованиедефектоввсверхпроводящих волокнах ............................................................................... 593.6.3. Влияние положения проводов в поперечном сечении проводника иуровнявнешнегомагнитногополянаобразованиедефектоввсверхпроводящих волокнах ............................................................................... 623.7.Выводы к главе 3 .....................................................................................

65ГЛАВА 4. Изменение относительного остаточного сопротивления Nb3Snпроводов в процессе изготовления и испытаний проводника ....................... 674.1.Изменение RRR сверхпроводящего Nb3Sn провода в процессеподготовки к изготовлению кабеля ................................................................... 684.2.Влияние технологических процессов изготовления проводника наизменение RRR .................................................................................................... 744.3.RRR после диффузионной термообработки ......................................... 774.4.Влияниеэлектромагнитногоитепловогоциклированияприиспытаниях на установке «SULTAN» на изменение RRR ............................. 7944.4.1. Исследование RRR проводов, отобранных в зоне низкого поля (ЗНП)образца проводника TFRF3, испытанного на установке «SULTAN» ...........

804.4.2. Исследование RRR проводов, отобранных в зоне высокого поля (ЗВП)образца проводника TFRF3, испытанного на установке «SULTAN» ........... 814.5.Обобщение результатов по изменению RRR при изготовлении ииспытаниях проводника TFRF3......................................................................... 834.6.Выводы к главе 4 ..................................................................................... 86ГЛАВА 5. Определение шага скрутки вдоль кабеля после затягивания воболочку ...............................................................................................................

895.1.Физическая модель затягивания кабеля в оболочку ........................... 905.2.Измерения и эксперименты.................................................................... 975.2.1. Исследованиедифференциальныхмеханическиххарактеристикобразца кабеля .....................................................................................................

975.2.2. Определениепараметра,учитывающегомеханическиеиконструкционные характеристики кабеля ...................................................... 1005.2.3. Эксперименты и измерения на кабелях штатных длин .................... 1035.3.Сравнение расчётов с прямыми измерениями ................................... 1055.4.Способы предотвращения раскручивания переднего конца кабеля призатягивании в оболочку .................................................................................... 1065.5.Выводы к главе 5 ...................................................................................

109Выводы по материалам диссертации .............................................................. 111Заключение ........................................................................................................ 114Список цитируемой литературы ..................................................................... 1165ВведениеАктуальность темы исследованияВ 2007г. началось строительство международного экспериментальноготермоядерного реактора ИТЭР (ITER – International Thermonuclear ExperimentalReactor) во Франции. Главной задачей этого проекта является демонстрациявозможности использования термоядерной энергетики для промышленногопроизводства электричества, а также создание теоретической и практической базызнаний для строительства будущих реакторов. Впервые для такой крупноймагнитной системы, как по объёму материала, так и по величине запасённой вмагнитной системе энергии, используются сверхпроводящие токонесущиеэлементы (проводники) типа «кабель в оболочке».

На расчётно-инженерной стадииреализации проекта ИТЭР было проведено множество исследований и разработоккак проводников, так и сверхпроводящих проводов. Задачей исследованийявлялась оптимизация конструкции проводников по требованиям к электрическимпотерям на переменном токе, по магнитной и тепловой стабильности, поустойчивостикциклическимэлектромагнитнымиэлектромеханическимнагрузкам.На промышленной стадии изготовления проводников был выявлен рядпроблем, не учтенных на расчётной стадии. Было обнаружено, что проводникам наоснове Nb3Sn проводов свойственна деградация критических свойств прициклических электромагнитных и тепловых нагрузках, при этом степеньдеградации отличается в проводниках, изготовленных в разных странах.

УРоссийских проводников отсутствует деградация при испытаниях. Одной извозможных причин подобной стабильности может служить большая устойчивостьроссийских Nb3Sn проводов к механическим нагрузкам. В этой связи представляетинтерес исследование степени повреждения сверхпроводящих волокон вроссийских проводах после испытаний, и сравнение полученных результатов сисследованиями, проводимыми на проводниках других изготовителей.6Другим важным параметром проводников является тепловая стабильность,за которую отвечает относительное остаточное сопротивление (RRR) Nb3Snпроводов. На проектной стадии была определена нижняя граница параметра RRRв 100 единиц, что должно обеспечивать заданный уровень тепловой стабильности,однако не было ясно, как изменяется RRR после циклической электромагнитной итепловой нагрузки.

Такие данные представляют большой практический интерес,поскольку позволяют установить, при каком минимальном значении RRR висходном проводе этот параметр останется на приемлемом уровне послеизготовления проводника и его испытаний.Важнымпараметромпроводников,особеннопроявляющимсявдинамических режимах работы магнитной системы, являются электрическиепотери, которые находятся в прямой зависимости от величины шага скруткикабеля. Шаг скрутки строго контролируется при изготовлении кабеля, но при егозатягиваниив оболочку дляформирования проводника под действиемзатягивающего усилия кабель раскручивается, что приводит к увеличению шагаскрутки. Для расчёта дополнительных потерь, вызванных увеличенным шагомскрутки, необходимо описать математически процесс изменения шага скрутки призатягивании кабеля в оболочку, а также разработать методы, препятствующиеувеличению шага скрутки.Степень разработанности темы исследованияИсследованию дефектов, генерируемых в структуре Nb3Sn проводов впроцессе электромагнитного и теплового циклирования европейского проводникатороидального поля, посвящена работа P.