Диссертация (Влияние технологических и эксплуатационных факторов на характеристики сверхпроводящих токонесущих элементов для катушек тороидального поля магнитной системы ИТЭР), страница 3

На данныймомент — это соотношение составляет 1:1,25. В ближайшем будущем планируетсядовести это соотношение до 1:50 [20]. ТОКАМАК «K STAR» [21] (Южная Корея),JT-60 [22, 23] (Япония), Т-15 [24] (СССР, Россия) – это всё машины по УТС,работавшие со сверхпроводящей магнитной системой.На сегодняшний день существует несколько больших проектов, основукоторых составляют компоненты, изготовленные на основе сверхпроводящихматериалов. Одним из таких проектов, с крупномасштабным применениемсверхпроводимости является проект ИТЭР [25], который направлен надемонстрацию возможности получения электроэнергии за счёт термоядерныхреакций. Одна из основных элементов ИТЭР – это сверхпроводящая магнитнаясистема (рисунок 1.1), посредством которой высокотемпературная плазма,разогретая до температуры около 150 миллионов градусов, удерживаетсямагнитным полем.Рисунок 1.1 – Вид сверхпроводящей магнитной системы реактора ИТЭРМагнитная система состоит из 18 катушек тороидального поля (TF), 6катушек полоидального поля (PF), 6 секций центрального соленоида (CS), которыйзапускает термоядерную реакцию, разжигая внутри рабочей камеры плазму, и 18корректирующих катушек (CC) [26].141.2.ОсновнымиСверхпроводящие проводасверхпроводящимиматериалами,используемымикаквгражданском применении, так и в физике высоких энергий являютсясверхпроводящие провода (в основном NbTi и Nb3Sn), на основе которыхизготавливаются сверхпроводящие кабели, обмотки, магниты, проводники иликатушки.

В зависимости от рода применений или назначения используетсяразличныйсверхпроводящийпроводкакпоконструкции,такипоэлектрофизическим характеристикам. Главными параметрами сверхпроводящихпроводов является функциональная зависимость плотности тока в зависимости отмагнитного поля и температуры (1.1). = (, ),(1.1)где – критическая плотность тока; – магнитное поле; – температура.Первыми крупными установками, в которых использовалась магнитнаясистема на основе сверхпроводников были советские термоядерные установкиТОКАМАКи Т-7 и Т-15 [14, 24]. В основе токонесущего элемента Т-7, былсверхпроводящий провод на основе NbTi.

Он содержал в себе 37 сверхпроводящихволокон при диаметре каждого волокна 96мкм (рисунок 1.5). На рисунке 1.2обозначены следующие позиции: 1 – сверхпроводящее NbTi волокно; 2 – меднаястабилизация. В основе же более крупной магнитной системы Т-15 былсверхпроводящий провод на основе Nb3Sn, который обладает большейтоконесущей способность по сравнению с NbTi (рисунок 1.3). У этого материалапримерно в 2 раза выше критическое магнитное поле и критическая температурапо сравнению с NbTi проводом.

Этот провод содержал в себе 14641сверхпроводящее волокно при диаметре волокна 5мкм. На рисунке 1.3 обозначены15следующие позиции: 1 – группа сверхпроводящих Nb3Sn волокно; 2 – бронзоваяматрица.Рисунок 1.2 – Сверхпроводящий NbTi провод для Рисунок 1.3 – Сверхпроводящий Nb3Sn провод дляТНЭ ТОКОМАКа Т-7ТНЭ ТОКОМАКа Т-15Для строительства магнитной системы термоядерного реактора ИТЭР, вкачестве сверхпроводящих проводов были выбраны провода на основе NbTi иNb3Sn,которыеиспользуютсядлясозданияобмотокполоидальногоитороидального полей соответственно.Ни одной стране в одиночку невозможно справиться со строительством такойкрупной системы, как магнитная система ИТЭР, поэтому в поставках принимаютучастие 7 сторон, которые должны поставлять продукцию с одинаковымисвойствами.

У каждой стороны своя конструкция, технология производства исистема менеджмента качества, которая обеспечивает необходимые свойствасверхпроводящих проводов. При изготовлении катушек тороидального поля ицентрального соленоида используются провода на основе Nb3Sn. Поперечныесечения проводов всех поставщиков показаны на рисунке 1.4. [27].Как можно заметить конструкция проводов, показанных на рисунке 1.7отличается.

Провода, обозначенные на рисунке позициями 1.7а – 1.7гизготавливаются по методу, когда все сверхпроводящие волокна находятся вбронзовой матрице (бронзовая технология), а позиции 1.4д – 1.4з изготавливаютсяпо методу внутреннего источника. Основным критерием выбора этого типапроводов для катушек тороидально поля и центрального соленоида стало то, чтоNb3Sn сверхпроводник может выдерживать достаточно высокое магнитное полевплоть до величины 13Т (поле на оси CS).16а)б)в)г)д)е)ж)з)Рисунок 1.4 – Виды сверхпроводящих Nb3Sn проводов для изготовления катушек TF ИТЭР [27]1.3.Сверхпроводящие токонесущие элементыСверхпроводящий провод ввиду своих малых размеров не может обеспечитьтребуемый уровень рабочего тока для создания высоких магнитных полей вбольших магнитных системах.

В больших магнитных системах используюттоконесущие элементы (ТНЭ), обеспечивающие необходимые электрофизическиесвойства обмотки и, как правило, содержащие сверхпроводящие провода,скрученные между собой в кабели. Конструкции кабелей отличаются большиммногообразием и технологией их изготовления. Каждый вид кабелей обладаетсвоими преимуществами и недостатками.Для первого советского термоядерного реактора на основе сверхпроводниковТ-7 был изготовлен ТНЭ на основе сверхпроводящего NbTi провода. КонструкцияТНЭ ТОКАМАКа Т-7, представлена на рисунке 1.5.

На рисунке 1.5 обозначеныследующие позиции: 1 – медная трубка для прокачки жидкого гелия; 2 –сверхпроводящий провод; 3 – медный гальванический слой.17Для следующего ТОКАМАКа Т-15 был изготовлен ТНЭ новой конструкции(рисунок 1.6) на основе сверхпроводящего соединения Nb3Sn. На рисунке 1.6обозначены следующие позиции: 1 – канал для прокачки жидкого гелия; 2 –сверхпроводящий Nb3Sn провод; 3 – медный гальванический слой. Отличительнойчертой этого ТНЭ является то, что сверхпроводящий провод и меднаястабилизирующая оболочка, по каналам которой протекает жидкий гелий, длялучшейтермостабильностиобъединенывместепутемгальваническогонаращивания меди.Другими сверхпроводящими ТНЭ часто используемыми в большихмагнитных системах, а особенно в магнитах для ускорителей элементарных частиц,являются кабели резерфордовского типа – одноповивная плоская скрутка (рисунок1.7).Рисунок 1.5 – Токонесущий Рисунок 1.6 – Токонесущий Рисунок 1.7 – Кабельэлемент для магнитной системы элемент для магнитной системы резерфордовского типаТОКАМАКа Т-7ТОКАМАКа Т-15Эти кабели изготавливаются на скруточных машинах с углом наложенияпроводов 15-200, а затем эту конструкцию уплотняют до заданных размеров, так,чтобы в поперечном сечении образовывался прямоугольник из двух рядовсверхпроводящей проводов.

Как правило, сверхпроводящие провода приизготовлении этого кабеля скручиваются вокруг стабилизирующего элемента, ролькоторого обычно играет прямоугольная пластина из меди, стали или сочетанияэтих материалов [28-31]. Реже в качестве стабилизации в этих кабелях используютмедные проволоки [32, 33]. Несколько типов поперечных сечений этих кабелей сразличной стабилизацией показано на рисунке 1.8. Позиции, обозначенные на этом18рисунке: 1 – сверхпроводящий провод; 2 – медная проволока; 3 – стальнаяпластина; 4 – медная пластина.а)б)Рисунок 1.8 – Поперечное сечение кабелей резерфордовского типа: а) со стабилизацией из меднойпроволоки; б) со стабилизацией из медной и стальных пластинМедные пластины или металлические пластины в этих кабелях служат дляснижения контактного сопротивления между сверхпроводящими проводами [34], аразные материалы применяются, в основном, для придания кабелям лучшихмеханических свойств и снижения электрических потерь [35, 36].

Редко, какописано в [37] в таких кабелях делают дополнительные каналы, по которымпротекает хладагент, что обеспечивает дополнительное охлаждение.Для уменьшения магнитного воздействия и снижения эффекта собственногополя провода в кабеле необходимо полностью транспонировать [37]. Одним изтипов транспонированных кабелей является кабель резерфордовского типа, окотором говорилось выше, другим примером может быть плетёный кабель [38].Этот тип кабеля, равно как и кабель резерфордовского типа, очень частоприменяется для обмоток импульсных магнитов.

Он обладает меньшими потерямив переменных электромагнитных полях [39].Как показано в работах В.С.Высоцкого [40, 41], при переходе в нормальное состояние эти кабели обладаютвысокой стабильностью. Для этих кабелей, как и для большинства кабелейрезерфордовского типа используется погружная система охлаждения, то есть когдаобмотка из кабелей полностью погружается в ванну с жидким хладагентом.Наряду с методом погружения сверхпроводящих кабелей в гелий, имеютсятакие типы кабелей, в которых можно использовать форсированное охлаждение –когда хладагент прокачивается под избыточным давлением по каналам в кабеле.По сравнению с конструкцией погружной обмотки с открытыми каналами19охлаждения в циркуляционном кабеле значительно меньше вероятностьмежвитковых коротких замыканий.

Кроме того, в циркуляционной магнитнойсистеме заключено значительно меньше гелия, чем в погружной системе достоинство, которое проявляется при переходе обмотки в нормальное состояние.Наконец, механические характеристики обмотки, выполненной из пологопроводника, как правило, выше, чем погружной с открытыми каналами, которыеделают обмотку рыхлой [37].