Диссертация (Влияние технологических и эксплуатационных факторов на характеристики сверхпроводящих токонесущих элементов для катушек тороидального поля магнитной системы ИТЭР), страница 2

Lee, C. Sanabria, D. Larbalistier, M. C.Jewell [1]. Авторами рассмотрены как методы подготовки образцов, так иколичественные оценки влияния деформации в процессе испытаний наобразование дефектов в волокнах сверхпроводящего провода. Для российскогопроводника такое исследование проводится впервые.Исследование изменения относительного остаточного сопротивления (RRR)проводовпроведеноM.Sumptionприизготовлениипроводников7резерфордовского типа [2,3].

Было отмечено существенное снижение RRR,особенно на кромках кабеля. Исследование изменения RRR проводов в процессеизготовления и электромагнитных испытаний проводника типа «кабель воболочке» проводится впервые.Процесс затягивания кабеля в оболочку для формирования проводника типа«кабель в оболочке» исследовали D. Bessette, T.

Paintner, Y. Takahashi, Qin [4,5].Было обнаружено вращение кабелей, которое приводит к увеличению шагаскрутки, причем число вращений отличается у кабелей от разных производителей.Делаются попытки описать процесс затягивания кабеля в оболочку математически.Процесс затягивания российского кабеля в оболочку в настоящей работе изученвпервые.Цели и задачиЦелью работы является изучение процесса изготовления Nb3Sn проводниковтипа «кабель в оболочке»; исследование изменения структуры и свойств Nb3Snпроводов в процессе изготовления, термообработки и испытаний проводников;исследование и моделирование процесса раскручивания кабеля при затягивании воболочку, а также разработка методов, препятствующих раскручиванию кабеляпри изготовлении проводников типа «кабель в оболочке».

Эти исследованияпозволяют понять влияние технологических процессов на такие важные параметрысверхпроводящего проводника как критический ток, критическая температураперераспределения тока, стабильность по отношению к тепловым возмущениям ивеличина электрических потерь при работе в меняющемся магнитном поле.Основные научные задачи работы заключаются в:1) Разработке метода подготовки поверхности образцов для исследования дефектовв волокнах Nb3Sn проводов и методов их количественной оценки;2) Изучении влияния электромагнитного и теплового циклирования на структуруNb3Sn проводов, отобранных из российского проводника тороидального поля,который прошел испытания, имитирующие режим работы магнитной системы8реактора ИТЭР, и сравнении состояния структуры проводов с зарубежнымианалогами;3) Исследовании изменения относительного остаточного электросопротивления(RRR) Nb3Sn проводов в процессе изготовления и после испытаний российскихпроводников,атакжеоценкетепловойстабильностипроводниковтороидального поля по полученным данным;4) Исследовании процесса раскручивания кабеля при затягивании в оболочку;5) Разработке математической модели раскручивания кабеля при затягивании воболочку, которое вызывает увеличение шага скрутки;6) Разработке методов, препятствующих раскручиванию кабеля при затягивании воболочку.Научная новизнаВ настоящей диссертации впервые:1) Разработан новый метод подготовки поверхности образцов для исследованиядефектов в волокнах Nb3Sn проводов, а также программы для количественногоподсчёта характеристик;2) Изучено влияние электромагнитного и теплового циклирования на генерациюдефектов в сверхпроводящих волокнах Nb3Sn проводов, отобранных изроссийскогопроводникатороидальногополя,прошедшегоиспытания,имитирующие рабочий режим магнитной системы ИТЭР;3) Исследовано изменение относительного остаточного электросопротивления(RRR) Nb3Sn проводов в процессе изготовления и испытаний российскогопроводника для катушек тороидального поля магнитной системы ИТЭР;4) По результатам измерений RRR проводов, отобранных из проводника,прошедшего испытания, обоснован выбор термообработки для формированиясверхпроводящей фазы Nb3Sn;5) Исследован процесс раскручивания российского кабеля при затягивании воболочку и разработана модель вращения кабеля при формированиипроводника;96) Предложены и опробованы методы, препятствующие раскручиванию кабеля призатягивании в оболочку или снижающие этот эффект.Теоретическая и практическая значимость работыРезультаты работы использованы для совершенствования технологииизготовления проводников тороидального поля для магнитной системы ИТЭР, атакже для разработки основ технологии изготовления проводников типа «кабель воболочке» для других применений.

С использованием усовершенствованнойтехнологии изготовлены экспериментальные проводники типа «кабель в оболочке»с более стабильным шагом скрутки. Обоснована необходимость более высокогозапаса по исходной величине относительного остаточного электросопротивлениясверхпроводящих проводов. Даны рекомендации по выбору оптимальнойтермообработки для Nb3Sn проводов, обеспечивающей не только требуемыетоковые характеристики, но и требуемый уровень RRR.

Исследована морфологиятрещин, генерируемых в сверхпроводящих волокнах российского Nb 3Sn провода впроцессе электромагнитного и теплового циклирования. На основании полученныхрезультатов даны рекомендации по конструкции сверхпроводящих проводов дляснижения обрывности сверхпроводящих волокон.Результаты, полученные в течение подготовки и апробации работы, могутбыть применены для изготовления проводников для будущих термоядерныхреакторов, магнитная система которых изготавливается на основе проводниковтипа «кабель в оболочке».Методология и методы исследованияВсе измерения проведены на оборудовании высокой точности с применениемповеренныхизмерительныхинструментов.Методыизмеренийпрошлинеобходимый контроль качества и были одобрены Международной ОрганизациейИТЭР.Дляметаллографическихисследованийиспользовалсялазерныйсканирующий конфокальный микроскоп (ЛСКМ) OLYMPUS LEXT 4000.10Объектом исследований являлись образцы сверхпроводящего Nb3Snпровода, начиная от состояния поставки до состояния после завершенияэлектромагнитныхиспытанийпроводника,атакжеобразцыроссийскихпроводников для катушек тороидального поля магнитной системы ИТЭР,прошедшие полный цикл изготовления и испытаний.затягиваниякабелейвоболочкупроводиликакИсследование процессанаполномасштабныхдлинномерных кабелях тороидального поля, так и на их образцах длиной до 5м.Положения, выносимые на защиту1) Результаты исследований по влиянию электромагнитного и тепловогоциклирования на состояние волокон в Nb3Sn проводах в процессе испытанийроссийского проводника типа «кабель в оболочке».2) Результаты исследований по влиянию технологических и эксплуатационныхвоздействий на изменение относительного остаточного электросопротивленияNb3Sn проводов в процессе изготовления и испытания проводника;3) Результаты исследований по влиянию технологии изготовления проводника наизменение шага скрутки кабеля;4) Математическая модель процесса раскручивания кабеля при затягивании воболочку;5) Методы, препятствующие раскручиванию кабеля в процессе затягивания воболочку при изготовлении проводника типа «кабель в оболочке».Степень достоверности и апробация результатов исследованияОсновныерезультатыдиссертациибылидоложенынанаучныхконференциях по электромеханике, электротехнологии, электротехническимматериалам и компонентам ICEEE – 2012 в г.

Алушта (Крым, Украина) и ICEEE –2014 в г. Алушта (Крым, Россия), на международной конференции по магнитнымтехнологиям MT-23 в г. Бостон (США), на II национальной конференции поприкладной сверхпроводимости (НКПС II) 2013г. (Москва, Россия), намеждународной конференции по криогенной технике и криогенным материалам11ICEC/ICMC-2014(УниверситетТвенте,Голландия),намеждународнойконференции по прикладной сверхпроводимости ASC-2014 (г. Шарлотт, США).Результатыработ такжедокладывалисьнарегулярныхсовещанияхпоизготовлению проводников для магнитной системы ИТЭР, организованныхМеждународной Организацией ИТЭР (Кадараш, Франция; Хефей, КНР; Москва,Россия; Турин, Италия; Кокура, Япония; Гриндельвальд, Швейцария).12ГЛАВА 1. Проблемы при изготовлении кабелей и проводников для УТС(литературный обзор)1.1.Сверхпроводимость в УТСГлавная задача любой установки УТС – это зажечь высокотемпературную,разогретую до 150000000К плазму и удерживать её горение достаточно длительноевремя.

Ни один из существующих материалов не способен выдержать такуювысокую температуру, поэтому плазма удерживается в камере реактора сильныммагнитным полем. Применение проводящих материалов, таких как медь илиалюминий,дляэтихцелейнеподходитввидурядаограниченийинеудовлетворительной совокупности свойств. Поэтому в магнитных системахустановок УТС для удержания плазмы используются сверхпроводящие материалыи токонесущие элементы (ТНЭ) на их основе.

Крупномасштабное применениесверхпроводников в больших исследовательских термоядерных установкахначалось с советского ТОКАМАКа Т-7 в 1979г [14]. Т-7 – уникальная установка, вкоторой впервые в мире реализована относительно крупная магнитная система сосверхпроводящим соленоидом из проводов на основе NbTi, охлаждаемого жидкимгелием. Главная задача Т-7 была выполнена: подготовлена перспектива дляследующего поколения сверхпроводящих соленоидов термоядерной энергетики.Удача установки Т-7 с его сверхпроводящей магнитной системой породилацелое поколение термоядерных установок.

Термоядерная установка JET [15],находящейся в Великобритании, строительство которой завершилось в 1982г, накоторой был поставлен мировой рекорд мощности УТС в 16МВт. Другая установкаTore Supra – ТОКОМАК со сверхпроводящими катушками, охлаждаемымисверхкритическим гелием при температуре 1,8К [16, 17], является одной из самыхкрупных установок УТС. Установка EAST, находящаяся в Китае на которойвпервые были проведены успешные испытания летом 2006 года, а в 2007 на этомреакторе году был проведён первый в мире «безубыточный» термоядерный синтез,13с точки зрения соотношения затраченной/полученной энергии [18, 19].