ЗАЩИТА ОТ НАРУШЕНИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ В СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАГНИТАХ
PROTECTION AGAINST SUPERCONDUCTIVITY DISRUPTION IN SUPERCONDUCTING MAGNETS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к сверхпроводящим магнитам. Более конкретно, изобретение относится к способам и оборудованию для защиты от нарушения сверхпроводимости в таких магнитах, а особенно в магнитах для использования в термоядерных реакторах.
Предпосылки создания
Сверхпроводящий магнит является электромагнитом, образованным из катушек из сверхпроводящего материала. Поскольку катушки магнита имеют нулевое сопротивление, сверхпроводящие магниты могут переносить высокие токи с нулевой потерей (хотя могут быть некоторые потери из-за несверхпроводящих компонентов) и поэтому позволяют достигать сильных полей с более низкими потерями, чем традиционные электромагниты.
Сверхпроводимость возникает лишь в некоторых материалах и только при низких температурах. Сверхпроводящий материал будет вести себя как сверхпроводник в области, определяемой критической температурой сверхпроводника (наивысшей температурой, при которой материал является сверхпроводником в нулевом приложенном магнитном поле) и критическим полем сверхпроводника (наивысшим магнитным полем, в котором материал является сверхпроводником при 0 К). Температура сверхпроводника и магнитное поле накладывают ограничения на ток, который может переноситься сверхпроводником без того, что сверхпроводник становится резистивным (или «обычным», используется здесь в смысле «несверхпроводящим»). Существуют два типа сверхпроводящего материала: сверхпроводники I-го рода полностью исключают проникновение магнитного потока и имеют низкое критическое поле, сверхпроводники II-ого рода позволяют магнитному потоку проникать в сверхпроводник выше нижнего критического поля в локализованных обычных областях, называемых завихрениями потока. Они прекращают быть сверхпроводящими при верхнем критическом поле. Эта особенность позволяет использовать их в проводах для конструирования сверхпроводящих магнитов. Предпринимаются значительные усилия, чтобы связывать места завихрения потока с атомной решеткой, что улучшает критический ток при более высоких магнитных полях и температурах.
В наиболее широком смысле существуют две категории сверхпроводников II-го рода. Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) типично имеют критические температуры (без внешнего магнитного поля) ниже 20 К, а высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) типично имеют критические температуры выше 40 К. Многие существующие ВТСП-материалы имеют критические температуры выше 77 К, что позволяет использовать для охлаждения жидкий азот. Однако, специалистам в данной области техники будет понятно, что НТСП и ВТСП различаются по критериям, отличным от критической температуры, и что ВТСП и НТСП являются терминами, принятыми в уровне техники для определенных классов материалов. Как правило (хотя не исключительно), ВТСП-материалы являются керамическими, а НТСП-материалы являются металлическими.
Одной проблемой, которая может возникать в сверхпроводящих магнитах, является нарушение сверхпроводимости. Нарушение сверхпроводимости происходит, когда часть сверхпроводящего провода или катушки входит в резистивное состояние. Это может происходить вследствие колебаний температуры или магнитного поля или физического повреждения или дефектов в сверхпроводнике (например, при нейтронном облучении, если магнит используется в термоядерном реакторе). Вследствие высоких токов, присутствующих в магните, когда даже малая часть сверхпроводника становится резистивной, он быстро нагревается. Все сверхпроводящие провода снабжаются некоторым медным стабилизатором для защиты от нарушения сверхпроводимости. Медь обеспечивает альтернативный путь для тока, если сверхпроводник становится обычным. Чем больше меди присутствует, тем медленнее растет температура в горячем пятне, которое формируется вокруг области проводника с нарушенной сверхпроводимостью.
В НТСП-магнитах, когда происходит нарушение сверхпроводимости, «обычная зона» будет распространяться быстро, с порядком несколько метров в секунду. Это происходит вследствие низкой теплоемкости всех материалов при низкой температуре, и того факта, что НТСП-материалы как правило задействуются гораздо ближе к их критическим температурам. Это означает, что нарушение сверхпроводимости быстро распространяется в НТСП-магните, и накопленная энергия магнитного поля, рассеиваемая при нарушении сверхпроводимости, будет распространяться по всему магниту, нагревая его.
ВТСП-материалы, задействуемые при высоких температурах, имеют более высокую удельную теплоемкость, так что энергия, требуемая для приведения секции провода к обычному состоянию, гораздо больше. Это означает, что нарушения сверхпроводимости гораздо менее вероятны в ВТСП-магнитах, чем в НТСП-магнитах. Однако, это также означает, что скорость распространения обычной зоны гораздо медленнее - порядка несколько миллиметров в секунду по сравнению с метрами в секунду в НТСП-магнитах. Поскольку нарушение сверхпроводимости изначально будет отрицательно влиять только на небольшой объем магнита, только эта область будет резистивной, и, следовательно, энергия, рассеиваемая во время нарушения сверхпроводимости, будет сбрасываться в этот небольшой объем (или, более конкретно, в медь, куда перенаправляется ток из обычной зоны). Эта концентрация энергии может вызывать постоянное повреждение ВТСП-ленты, например, плавление, дуговой разряд и т.д. Это дополнительно компенсируется, поскольку ВТСП-магниты типично опосредованно охлаждаются, а не погружаются в ванну жидкого хладагента, так что мощность охлаждения «пятна» снижается по сравнению с НТСП-магнитами.
Энергия, накопленная в магнитном поле, определяется как:
Т.е. чем больше плотность потока и выше объем, тем большей является накопленная энергия магнита. Энергия, высвобождаемая большим магнитом, может быть порядка, аналогичного куску динамита. Для НТСП-магнита эта энергия может рассеиваться, нагревая весь магнит. Для ВТСП-магнита без защиты от нарушения сверхпроводимости эта энергия может рассеиваться в небольшой доле объема магнита. Как правило, большой ВТСП-магнит потребует активной системы защиты от нарушения сверхпроводимости, содержащей фазу обнаружения, во время которой нарушение сверхпроводимости обнаруживается до того, как происходит значительный нагрев, за которой следует фаза рассеяния, во время которой ток магнита быстро сбрасывается до того, как температура горячего пятна поднимется слишком высоко.
Большинство ВТСП-магнитов, созданных к настоящему времени (использующих проводники с BSCCO- и ReBCO-покрытием), в действительности не имеют защиты от нарушения сверхпроводимости. Это обусловлено тем, что они по большей части являются небольшими, недорогими прототипами, с небольшой накапливаемой энергией, и тем, что нарушение сверхпроводимости в хорошо спроектированном ВТСП-магните должно иметь, как упомянуто, очень низкую вероятность. Следовательно, решение о том, защищать ли от нарушения сверхпроводимости ВТСП-магнит, по существу является экономическим решением: небольшой магнит-прототип может быть отремонтирован относительно легко в редком случае, когда у него нарушается сверхпроводимость. Как следствие, технология защиты от нарушения сверхпроводимости для ВТСП-магнитов все еще является неразвитой.
Одно применение ВТСП-магнитов заключается в термоядерных реакторах-токамаках. Токамак характеризуется сочетанием сильного тороидального магнитного поля, высокого тока плазмы и, обычно, большого объема плазмы и значительного сопутствующего нагрева для обеспечения горячей устойчивой плазмы с тем, чтобы мог происходить термоядерный синтез. Сопутствующий нагрев (например, посредством инжекции пучка нейтральных частиц высокой энергии H, D или T в десятки мегаватт) необходим для увеличения температуры до достаточно высоких значений, требуемых для возникновения термоядерного синтеза и/или для поддержания тока плазмы.
Проблема заключается в том, что, вследствие большого размера, как правило требуются большие магнитные поля и высокие токи плазмы, затраты на строительство и эксплуатационные расходы высоки, а инженерное обеспечение должно быть надежным, чтобы справляться с большими накопленными энергиями, присутствующими и в магнитных системах, и в плазме, которая имеет привычку «срываться» - мегаамперные токи уменьшаются до нуля в течение нескольких тысячных секунды при сильной нестабильности.
Ситуация может быть улучшена путем сжатия кольцеобразного тора традиционного токамака до его предела, имеющего внешний вид яблока с удаленной сердцевиной – «сферического» токамака (СТ). Первая реализация этой идеи в токамаке START в Кулхэме продемонстрировала огромное увеличение эффективности - магнитное поле, требуемое для сдерживания горячей плазмы, может быть уменьшено в 10 раз. Кроме того, улучшается стабильность плазмы, и уменьшаются затраты на строительство.
Чтобы получать реакции термоядерного синтеза, требуемые для экономичного генерирования мощности (т.е. гораздо большая мощность отводится, чем подводится), традиционный токамак должен быть огромным, так что время удержания энергии (которое примерно пропорционально объему плазмы) может быть достаточно большим с тем, чтобы плазма могла быть достаточно горячей для возникновения термоядерного синтеза.
WO 2013/030554 описывает альтернативный подход, включающий применение компактного сферического токамака для использования в качестве источника нейтронов или источника энергии. Форма плазмы с низким аспектным отношением в сферическом токамаке улучшает время удержания частиц и предоставляет возможность выработки полезной эффективной мощности в гораздо меньшей установке. Однако, необходима центральная колонна небольшого диаметра, что представляет проблемы для проектирования магнита для удержания плазмы.
Главной привлекательной особенностью ВТСП для токамаков является способность ВТСП переносить высокие токи в интенсивных магнитных полях. Это особенно важно в компактных сферических токамаках (СТ), в которых плотность потока на поверхности центральной колонны будет превышать 20 Т. Вторичной выгодой является способность ВТСП переносить высокий ток в сильном магнитном поле при более высоких температурах, чем НТСП, например, ~20 К. Это предоставляет возможность использования более тонкого нейтронного защитного экрана, приводя в результате к более сильному нагреву нейтронами центральной колонны, что исключает работу с использованием жидкого гелия (т.е. при 4,2 К или ниже). Это, в свою очередь, обеспечивает возможность проектирования сферического токамака с основным радиусом плазмы менее чем примерно 2 м, например, около 1,4 м, который должен приниматься во внимание; такое устройство возвращало бы небольшой процент своей выходной мощности на криогенное охлаждение.
Тем не менее, такие магниты гораздо больше магнитов, ранее спроектированных с помощью ВТСП-материала. Магнит с тороидальным полем (TF) даже для относительно небольшого токамака будет, несомненно, наибольшим ВТСП-магнитом, построенным к настоящему времени, и представляет большой магнит с высокой накопленной энергией даже по НТСП-стандартам. Важнейшей является всесторонне развитая система защиты от нарушения сверхпроводимости, которая может справляться с критическим ухудшением тока в проводнике. Накопленная энергия TF-магнита (магнита тороидального поля) (~4,5 Т) для сферического токамака, работающего с основным радиусом в 60 см, будет составлять 150-200 МДж, а для TF-магнита (~3 Т) для токамака 140 см будет превышать 1200 МДж.
Роль системы защиты от нарушения сверхпроводимости заключается в том, чтобы обнаружить локальное нарушение сверхпроводимости, или «горячее пятно», либо как можно быстрее после запуска, либо перед инициированием минимизировать повреждения путем обнаружения переноса тока от полупроводника к медному стабилизатору, и разомкнуть прерыватель цепи для сброса накопленной энергии магнита в резистивную нагрузку. Сброс энергии может быть достигнут путем маршрутизации тока через резистор за пределами криостата магнита при комнатной температуре или путем нагрева «холодной массы» магнита, чтобы вынудить его стать резистивным, необязательно с помощью собственной накопленной энергии магнита, чтобы искусственно распространить нарушение сверхпроводимости быстрее по сверхпроводящим катушкам (так, чтобы энергия рассеивалась по всему магниту, который нагревается постепенно, вместо возникновения крутого роста температуры в горячем пятне). Искусственное распространение затруднено в ВТСП-магнитах, поскольку тепло, требуемое для нарушения сверхпроводимости всего магнита, гораздо больше, чем в НТСП, и трудно реализуемо на практике.
3
3
3
ESPeSSO-система, разработанная в Европейском центре ядерных исследований (CERN) и подробно описанная в документе «ESPreSSO: A Quench Protection System for High Field Superconducting Magnets» (https://edms.cern.ch/ui/#!master/navigator/document?D:1052094071:1052094071:subDocs), устраняет проблемы с искусственным распространением нарушения сверхпроводимости в ВТСП-магнитах за счет предоставления одной или более неиндуктивно намотанных НТСП-катушек последовательно с ВТСП-катушками. Когда в ВТСП-секциях обнаруживается нарушение сверхпроводимости (горячее пятно), в НТСП-катушке(ах) может быстро нарушаться сверхпроводимость (с помощью нагревателей или другого средства, такого как разработанный CERN метод CLIQ AC-потери), гарантируя, что накопленная энергия магнита сбрасывается в НТСП, а не в ВТСП. Как отмечено выше, нарушения сверхпроводимости в НТСП-катушках, как правило, являются неразрушающими, и неиндуктивно намотанная НТСП-катушка может быть спроектирована так, что рост температуры, получающийся в результате сброса энергии, является слишком небольшим, чтобы вызывать какое-либо повреждение. ESPreSSO-метод объединяет функции разгрузочного резистора и прерывателя цепи в холодной НТСП-секции и перемещает их внутрь криостата магнита или в термически связанный отдельный криостат.
3
По существу, ESPreSSO-блок работает подобно сверхпроводящим переключателям, типично используемым для замыкания цепи сверхпроводящего магнита в НТСП-магнитах с устойчивым режимом, используемых для применений в магнитном резонансе. Однако, удельная теплоемкость таких переключателей является низкой, поскольку они не предназначены в качестве мест сброса энергии. Сброс энергии ВТСП-магнита в известный НТСП-переключатель вероятно вызовет его плавление, вызывающее значительное повреждение и переключателю, и каким-либо соседним компонентам.
Сущность изобретения
Согласно аспекту настоящего изобретения, предоставлена катушка тороидального поля. Катушка тороидального поля содержит центральную колонну, множество обратных ветвей, систему защиты от нарушения сверхпроводимости и систему охлаждения. Центральная колонна содержит ВТСП-материал. Каждая обратная ветвь содержит способную на нарушение сверхпроводимости секцию, две ВТСП-секции и систему нарушения сверхпроводимости. Способная на нарушение сверхпроводимости секция содержит сверхпроводящий материал и выполнена с возможностью вносить вклад в магнитное поле катушки тороидального поля. ВТСП-секции содержат ВТСП-материал. ВТСП-секции электрически соединяют способную на нарушение сверхпроводимости секцию с центральной колонной и расположены последовательно с центральной колонной и способной на нарушение сверхпроводимости секцией. Система нарушения сверхпроводимости связана со способной на нарушение сверхпроводимости секцией и выполняется с возможностью нарушать сверхпроводимость способной на нарушение сверхпроводимости секции. Система защиты от нарушения сверхпроводимости выполняется с возможностью обнаруживать нарушения сверхпроводимости в катушке тороидального поля и, в ответ на обнаружение нарушения сверхпроводимости, побуждать систему нарушения сверхпроводимости нарушать сверхпроводимость сверхпроводящего материала в одной или более способных на нарушение сверхпроводимости секциях для того, чтобы сбрасывать энергию из катушки тороидального поля в упомянутые одну или более способных на нарушение сверхпроводимости секций. Система охлаждения выполняется с возможностью охлаждать каждую способную на нарушение сверхпроводимости секцию до температуры, при которой сверхпроводящий материал является сверхпроводящим. Каждая способная на нарушение сверхпроводимости секция имеет достаточную теплоемкость, чтобы вызывать поддержание температуры способной на нарушение сверхпроводимости секции ниже первой заданной температуры при сбросе энергии из катушки тороидального поля в способную на нарушение сверхпроводимости секцию, и достаточное удельное сопротивление, чтобы вызывать достаточно быстрое ослабление тока магнита, чтобы температура части с нарушенной сверхпроводимостью ВТСП-секции поддерживалась ниже второй заданной температуры.
Согласно дополнительному аспекту изобретения, предоставлена катушка тороидального поля. Катушка тороидального поля содержит центральную колонну и множество обратных ветвей, содержащих витки высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) материала. Центральная колонна содержит НТСП-сердечник и внешний ВТСП-слой. НТСП-сердечник содержит НТСП-материал и выполнен с возможностью вносить вклад в магнитное поле катушки тороидального поля. Внешний ВТСП-слой окружает НТСП-сердечник и содержит ВТСП-материал. НТСП-сердечник расположен последовательно с по меньшей мере некоторыми витками обратных ветвей и содержит систему нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью вызывать нарушение сверхпроводимости в НТСП-сердечнике. Катушка тороидального поля дополнительно содержит систему защиты от нарушения сверхпроводимости и систему охлаждения. Система защиты от нарушения сверхпроводимости выполняется с возможностью обнаруживать нарушения сверхпроводимости и, в ответ на обнаружение нарушения сверхпроводимости, побуждать систему нарушения сверхпроводимости нарушать сверхпроводимость НТСП-сердечника для того, чтобы сбрасывать энергию из катушки тороидального поля в НТСП-сердечник. Система охлаждения выполняется с возможностью охлаждать НТСП-сердечник до температуры, при которой НТСП-материал является сверхпроводящим. НТСП-сердечник имеет достаточную теплоемкость, чтобы вызывать поддержание температуры НТСП ниже первой заданной температуры при сбросе энергии из катушки тороидального поля в НТСП-сердечник, и достаточное удельное сопротивление, чтобы вызывать достаточно быстрое ослабление тока магнита, чтобы температура части с нарушенной сверхпроводимостью ВТСП-секции поддерживалась ниже второй заданной температуры.
Согласно еще одному аспекту изобретения, предоставлен узел катушек полоидального поля для использования в сферическом токамаке. Узел катушек полоидального поля содержит первую катушку полоидального поля, вторую катушку полоидального поля, систему нарушения сверхпроводимости, систему защиты от нарушения сверхпроводимости и систему охлаждения. Первая катушка полоидального поля содержит высокотемпературный сверхпроводящий (ВТСП) материал. Вторая катушка полоидального поля содержит низкотемпературный сверхпроводящий (НТСП) материал и соединяется последовательно с первой катушкой полоидального поля. Система нарушения сверхпроводимости связана со второй катушкой полоидального поля и выполняется с возможностью нарушать сверхпроводимость второй катушки полоидального поля. Система защиты от нарушения сверхпроводимости выполняется с возможностью обнаруживать нарушения сверхпроводимости в первой катушке полоидального поля и, в ответ на обнаружение нарушения сверхпроводимости, побуждать систему нарушения сверхпроводимости нарушать сверхпроводимость НТСП-материала во второй катушке полоидального поля для того, чтобы сбрасывать накопленную магнитную энергию во вторую катушку полоидального поля. Система охлаждения выполняется с возможностью охлаждать вторую катушку полоидального поля до температуры, при которой НТСП-материал является сверхпроводящим. Вторая катушка полоидального поля имеет достаточную теплоемкость, чтобы вызывать поддержание температуры НТСП ниже первой заданной температуры при сбросе энергии во вторую катушку полоидального поля, и достаточное удельное сопротивление, чтобы вызывать достаточно быстрое ослабление тока магнита, чтобы температура части с нарушенной сверхпроводимостью первой катушки полоидального поля поддерживалась ниже второй заданной температуры.
Согласно еще одному аспекту изобретения, предоставлен термоядерный реактор, содержащий катушку тороидального поля и/или узел катушек полоидального поля согласно какому-либо из вышеприведенных аспектов.
Дополнительные варианты осуществления изобретения излагаются в пункте 2 формулы и далее.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1A и 1B являются схематичными чертежами примерных катушек тороидального поля согласно варианту осуществления;
Фиг. 2A и 2B являются схематичными иллюстрациями способной на нарушение сверхпроводимости ВТСП-секции;
Фиг. 3 является схематичной иллюстрацией способной на нарушение сверхпроводимости ВТСП-секции;
Фиг. 4 является графиком теплоемкости нержавеющей стали и меди в зависимости от температуры;
Фиг. 5 является графиком удельного сопротивления нержавеющей стали и меди в зависимости от температуры;
Фиг. 6 является графиком температуры и тока по времени, следующим за обнаружением нарушения сверхпроводимости;
Фиг. 7 является графиком температуры в обратной ветви согласно одному варианту осуществления;
Фиг. 8 является схематичным чертежом соединения согласно одному варианту осуществления;
Фиг. 9 является схематичным чертежом секции обратной ветви согласно одному варианту осуществления.
Подробное описание изобретения
3
3
3
Как первоначально предположено, ESPreSSO-катушки не вносят вклад в магнитное поле, являясь неиндуктивно намотанными. В магнитах ускорителя ВТСП-катушки часто используются в форме вставной катушки, вставленной в более крупную NbSn НТСП-катушку для усиления поля двухполюсного магнита. В этом случае они будут работать в LHe (жидком гелии) при 4,2 К или ниже. ESPreSSO-катушки могут совместно использовать криостат и/или средство охлаждения с ВТСП- и НТСП-магнитами.
3
3
При применении в токамаке, в ESPreSSO-системе могут быть выполнены несколько улучшений. Катушка тороидального поля токамака имеет характеристику «D-формы» с прямыми секциями, сгруппированными в центральной колонне, где их магнитные поля накладываются, и отдельными обратными ветвями, магнитные поля которых являются относительно изолированными. Это приводит в результате к тому, что суммарное поле в центральной колонне гораздо больше поля в обратных ветвях, отдаленных от центральной колонны. Кроме того, крайне необходимо сохранять центральную колонну токамака настолько небольшой в диаметре, насколько возможно, таким образом, пространство в центральной колонне является дефицитным, но ограничения на пространство в обратных ветвях являются гораздо менее строгими. Это открывает возможность включения ESPreSSO-подобной способной на нарушение сверхпроводимости секции в качестве части обратных ветвей. Эта способная на нарушение сверхпроводимости секция может быть НТСП или ВТСП, как будет описано ниже.
Использование преднамеренно способного на нарушение сверхпроводимости ВТСП ранее не считалось приемлемым специалистами в данной области техники, поскольку ВТСП имеет минимальную энергию нарушения сверхпроводимости величиной на несколько порядков выше, чем НТСП. По существу, преднамеренно способные на нарушение сверхпроводимости большие секции ВТСП-катушек требуют введения импульса большой энергии от нагревателей, которые тесно термически соединяются с ВТСП-лентами в катушках, так что температура может повышаться на протяжении большой секции катушки за считанные миллисекунды. Присутствие нагревателей в витках катушки уменьшает проектную плотность тока. Если эти катушки вносят вклад в магнитное поле, эффективность «тесла на ампер» магнита будет сильно ухудшаться. Однако, в обратных ветвях катушки тороидального поля проектная плотность тока ВТСП является менее важной, поскольку обратные ветви должны лишь эффективно обеспечивать путь обратного тока для центральной колонны и не вносят значительного вклада в плотность потока в основном радиусе плазмы. Следовательно, приемлемо располагать ВТСП-ленты в катушках с интервалами, обеспечивая пространство для нагревателей, подлежащих вставке между лентами, которые плотно термически соединяются с лентами. Несомненно, фактически выгодно рассредоточить ВТСП-ленты в обратных ветвях до некоторой степени, уменьшая пиковое B-поле в обратных ветвях.
3
Альтернативно, более низкое поле в обратных ветвях позволит использовать недорогой NbTi при 6 К или ниже (или другой НТСП-проводник при соответствующей температуре) на участках обратных ветвей с более низким полем, при сохранении ВТСП в центральной колонне и частях обратных ветвей, которые испытывают наивысшую плотность магнитного потока. В противоположность раскрытой ESPreSSO-концепции, НТСП-сегменты обратных ветвей вносят вклад в магнитное поле. НТСП-сегменты, следовательно, имеют индуктивность. В СТ-устройствах с большим основным радиусом (> ~2-3 м) будет достаточно радиального пространства между сверхпроводящей центральной колонной и плазмой для нейтронного защитного экрана, который является достаточно толстым, чтобы обеспечивать возможность работы всего магнита, ВТСП- и НТСП-сегментов, при одинаковой температуре, 6 К или ниже для NbTi. Однако, меньшее устройство, имеющее радиус плазмы примерно 1,4-2 м, считается обеспечивающим оптимальную стоимость/производительность. В этом случае нейтронный защитный экран будет слишком тонким, чтобы обеспечивать возможность экономичного охлаждения ВТСП-центральной колонны при той же температуре, 6 К или ниже, что и в обратных НТСП-ветвях. Следовательно, предпочтительно, чтобы центральная ВТСП-колонна работала при более высокой температуре, чем НТСП-секции, в диапазоне 6-20 К. Это, в свою очередь, делает необходимым то, что горизонтальные ВТСП-участки обратных ветвей имеют вдоль себя градиент температуры и работают как токовводы. Существует суммарный поток тепла от центральной колонны к НТСП-сегментам в обратных ветвях, который должен быть минимизирован, чтобы удерживать общую мощность криогенного охлаждения меньше нескольких процентов сгенерированной термоядерной мощности.
3
Быстрый способ защиты от нарушения сверхпроводимости, такой как CLIQ-нагреватели, используемые в ESPreSSO, будет непосредственно объединен в НТСП-участок обратных ветвей, чтобы одновременно нарушать их сверхпроводимость, если в каком-либо из ВТСП-сегментов было обнаружено нарушение сверхпроводимости. Как будет видно, эта инновация ведет к нескольким другим преимуществам.
В любом случае, основная идея одинакова - обратные ветви могут включать в себя сверхпроводящий материал и конструируются так, что они имеют достаточную теплоемкость, чтобы поглощать накопленную энергию магнита, и обеспечивают средство нарушения сверхпроводимости сверхпроводящего материала этих обратных ветвей "по требованию", если в катушке тороидального поля обнаруживается горячее пятно.
Принципиальным различием между двумя подходами является количество тепла, требуемого для быстрого нарушения сверхпроводимости обратных ветвей, когда где-либо в магните обнаруживается горячее пятно. Тот факт, что минимальная энергия для нарушения сверхпроводимости ВТСП на несколько порядков по величине выше, чем в с НТСП, означает, что ВТСП-катушки являются по существу стабильными по сравнению с НТСП-катушками. В действительности, хорошо известно, что НТСП-катушки подвержены спонтанному нарушению сверхпроводимости, особенно во время интенсивного изменения характеристики магнита. Это не наблюдается в ВТСП-магнитах. По этой причине предпочтительным является использование ВТСП в способных на нарушение сверхпроводимости секциях, но это должно быть сбалансировано в отношении дополнительной стоимости ВТСП и значительно более высоких мощностей нагревателя, необходимых для нарушения сверхпроводимости способных на нарушение сверхпроводимости секций по требованию.
T
P
Фиг. 1A является схематичной иллюстрацией поперечного сечения (вида в вертикальном разрезе, полупрофиля) через компактный сферический токамак. Токамак включает в себя магнит для удержания плазмы, способный формировать статическую плотность B тороидального магнитного потока 3-4 Тесла при основном радиусе R в диапазоне 1,4 м. Чтобы сформировать это поле, в осевом направлении в центральной колонне 101 магнита 100 с тороидальным полем (TF) должен протекать ток примерно 20-30 МА. Фиг. 1A показывает одну катушку TF-магнита 101: будет понятно, что существует множество таких катушек, размещенных азимутально вокруг токамака. Фиг. 1 также показывает обратную ветвь 102 TF-катушки и катушки 107 полоидального поля, которые формируют осевое магнитное поле, используемое для управления позицией и стабильностью тока плазмы.
e
2
Минимальный радиус для сверхпроводящего сердечника 102 пилотного магнита ограничивается приблизительно 20-25 см за счет пикового магнитного напряжения и обеспечения достаточного медного стабилизатора для ограничения темпа роста температуры горячего пятна во время нарушения сверхпроводимости ВТСП. Это оставляет ~40 см радиального пространства для термоизоляции 103 плазменной камеры 104 и криостата магнита плюс нейтронного защитного экрана 105. В этом радиусе требуемая проектная плотность J тока в сердечнике составляет ~150-200 А/мм, а пиковая плотность магнитного потока на поверхности сердечника составляет 20-25 Т.
Фиг. 1B является более схематичным поперечным сечением через магнит тороидального поля, которое более подробно иллюстрирует две обратные ветви 102. В то время как обратные ветви показаны на фиг. 1B с практически перпендикулярным поперечным сечением, специалисту в данной области техники будет понятно, что возможно множество других поперечных сечений, в том числе D-образное поперечное сечение по фиг. 1A. Магнит тороидального поля содержит центральную колонну 101 и множество обратных ветвей 102. Обратные ветви, каждая, содержат одну или более ВТСП-секций 112 и "способную на нарушение сверхпроводимости" секцию 122 ("способный на нарушение сверхпроводимости" здесь должен пониматься как "способный на нарушение сверхпроводимости по требованию"). Для соединения ВТСП и способных на нарушение сверхпроводимости секций предусматриваются соединения 132. Способная на нарушение сверхпроводимости секция предусматривается последовательно с ВТСП-секциями и конфигурируется так, что она может нарушать сверхпроводимость по требованию (например, с помощью нагревателей или другого электромагнитного/с потерей переменного тока средства, которое известно в области техники).
Способные на нарушение сверхпроводимости секции 122 могут включать в себя НТСП-материал. Это обеспечивает возможность замены некоторой части ВТСП у магнита на НТСП, уменьшая стоимость провода системы, но увеличивая стоимость криогенного охлаждения. НТСП-материал является предпочтительно NbTi, который требует охлаждения до 6 К или ниже. В меньшем СТ с ограниченным радиальным пространством для нейтронного защитного экрана (как показано на фиг. 1A), центральная ВТСП-колонна будет работать при более высокой температуре по сравнению с НТСП-секциями.
Альтернативно, способные на нарушение сверхпроводимости секции 122 могут включать в себя ВТСП-материал. Это устраняет повышенную вероятность нежелательных нарушений сверхпроводимости в НТСП-секциях и повышенные требования к мощности охлаждения для НТСП. Способные на нарушение сверхпроводимости ВТСП-секции могут работать при той же температуре, что и секции с более сильным полем катушки тороидального поля (например, центральная колонна и другие секции обратных ветвей).
Теперь будет описана примерная катушка тороидального поля, содержащая способные на нарушение сверхпроводимости НТСП-секции. Катушка тороидального поля имеет структуру, показанную на фиг. 1B, т.е. прямоугольное поперечное сечение со способными на нарушение сверхпроводимости НТСП-секциями 122, предусмотренными в вертикальных частях обратных ветвей, хотя будет понятно, что те же соображения применимы для любой геометрии. Для целей этой модели эффекты соединений 132 не учитываются.
НТСП-секции охлаждаются до 6 К или ниже. В этом примере мы предполагаем охлаждать НТСП при 4,2 К, но возможны различные варианты, такие как погружение в ванну жидкого гелия, кипящую при атмосферном давлении (4,2 К), с помощью прямого или опосредованного охлаждения гелиевым паром (> 4,2 К) или с помощью субохлажденного LHe с использованием способа кабеля в трубопроводе (<= 4,2 К). Тепло удаляется из гелиевого хладоносителя криоустановкой. Когда требуется охлаждение центральной ВТСП-колонны, та же криоустановка может быть приспособлена, чтобы охлаждать и НТСП, и центральную колонну либо до одинаковой температуры в большей катушке тороидального поля, либо предпочтительно до более высокой температуры, такой как 10-20 К, в меньшей катушке тороидального поля, например, в сферическом токамаке (т.е. криоустановка может быть приспособлена, чтобы обеспечивать охлаждение до нескольких температур). Горизонтальные элементы 112 обратных ветвей являются ВТСП в медной матрице, необходимой для стабилизации при нарушении сверхпроводимости, и действуют в качестве тепловых токовводов между центральной ВТСП-колонной и НТСП. Температура горизонтальных элементов будет изменяться от 4,2 К, где они контактируют с НТСП, до 10-20 К, где они контактируют с центральной колонной. Суммарная утечка тепла из центральной ВТСП-колонны в НТСП-секции при 4,2 К будет между 100 Вт и несколькими кВт в зависимости от длины секций токовводов, количества используемой меди и других материалов стабилизатора. Мощность криоустановки, необходимая, чтобы поддерживать НТСП при 4,2 К, изменяется от менее чем 0,5 МВт до нескольких МВт, что меньше чем 5% прогнозируемой термоядерной мощности, выводимой из небольшого СТ.
Теперь будет описана примерная катушка тороидального поля, содержащая способные на нарушение сверхпроводимости ВТСП-секции. Катушка тороидального поля имеет структуру, показанную на фиг. 1B, т.е. прямоугольное поперечное сечение со способными на нарушение сверхпроводимости ВТСП-секциями 122, предусмотренными в вертикальных частях обратных ветвей, хотя будет понятно, что те же соображения применимы для любой геометрии. В целях этой модели эффекты соединений 132 не учитываются.
Способные на нарушение сверхпроводимости ВТСП-секции должны быть при температуре, достаточной, чтобы вынуждать ВТСП-материал в таких секциях становиться сверхпроводящим. Каждая способная на нарушение сверхпроводимости ВТСП-секция имеет нагревающие полосы, уложенные бок о бок с каждой ВТСП-лентой на такой секции, так что весь ВТСП может нарушить сверхпроводимость сразу. Необязательно, на любом конце способной на нарушение сверхпроводимости ВТСП-секции, где нагреватели не предусматриваются, может присутствовать некоторый край. Нагреватели могут быть в форме нагревающих полос (например, ленты из нержавеющей стали с каптоновым покрытием или иначе изолированной), помещенных между парами ВТСП-лент (ориентированных согласно желаемой геометрии кабеля). Пример этого показан на фиг. 2A и 2B, где ВТСП-ленты 202, содержащие подложку 202a и ВТСП-слой 202b, уложены в парах 200 типа 0, т.е. ВТСП-слои 202b соседних полос уложены обращенными друг к другу, с толстым слоем меди 204 между ними и выступающей частью 205 из меди в любую сторону (которая обеспечивает путь тока к соседней паре типа 0). Нагревающие полосы 201 с изолирующим покрытием 203 помещаются между ВТСП-лентами 202 каждой пары типа 0, внедренными в толстый медный слой. Фиг. 2A показывает единственную пару типа 0 с нагревателем 201, встроенным в нее, а фиг. 2B показывает пакет таких слоев.
Нагревающие полосы 201 должны быть соединены неиндуктивным образом, так что через них в коротком интервале времени может возбуждаться большой импульс тока. Фиг. 3 показывает компоновку, которая достигает этого. Каждая пара 200 типа 0 имеет медный соединитель 301 на каждом конце (который используется для соединения с другими секциями катушки тороидального поля). Нагревающие полосы 201 соединяются через провода 302, изолированные от меди, так что направление протекания тока изменяется от одной нагревающей полосы к следующей (например, ток протекает вверх в первой и третьей нагревающей полосе и вниз - во второй и четвертой). Первая и последняя нагревающая полоса соединяются через переключатель 303 с конденсаторной батареей 304, которая обеспечивает требуемый импульс тока.
Добавление нагревающих полос между каждой парой ВТСП-лент увеличивает удельное сопротивление между лентами каждой пары, и это увеличивает потери, когда ток проходит между ВТСП-лентами во время нарушения сверхпроводимости или во время быстрого изменения магнита. Это может быть компенсировано увеличением толщины медной выступающей части 205 на краях пакета лент (т.е. толщины, перпендикулярной ленте).
В известных использованиях нагревателей для нарушения сверхпроводимости ВТСП-катушек (например, в NMR- (ядерно-магнитный резонанс) магнитных вставках), проектируемая (суммарная) плотность тока не может быть значительно ослаблена, так что должен быть достигнут компромисс между способностью нагревать ВТСП и суммарной плотностью тока. В случае токамака, поскольку проектируемая плотность тока не является существенным соображением для обратных ветвей, может быть использована оптимальная компоновка нагревателей, когда существует нагреватель в тесном термическом контакте с каждой лентой способной на нарушение сверхпроводимости ВТСП-секции.
Тепло, требуемое для нарушения сверхпроводимости ВТСП-материала в способных на нарушение сверхпроводимости секций, будет значительным - энергия может быть обеспечена конденсаторной батареей и быстро срабатывающим переключателем, чтобы возбуждать большой импульс тока через переключатели нагревателей, если где-либо в катушке тороидального поля обнаруживается нарушение сверхпроводимости.
Этот метод отличается от распространения нарушения сверхпроводимости в том, что сверхпроводимость нарушается в ВТСП-материале в способной на нарушение сверхпроводимости секции(ях), где бы в катушке тороидального поля не обнаруживалось нарушение сверхпроводимости, например, обнаруженное в центральной колонне нарушение сверхпроводимости в форме небольшого, локализованного горячего пятна, будет реагировать путем нарушения сверхпроводимости ВТСП-материала в способных на нарушение сверхпроводимости секциях вместо попытки распространять первоначально обнаруженное нарушение сверхпроводимости.
Для того, чтобы эффективно сбрасывать энергию из магнита, способные на нарушение сверхпроводимости секции 122 должны иметь достаточно высокое сопротивление, когда не являются сверхпроводящими ("обычное сопротивление"), чтобы быстро уменьшать ток в магните, и достаточно высокую теплоемкость, чтобы поглощать накопленную энергию магнита, несомненно без плавления, и предпочтительно без повышения гораздо выше комнатной температуры. Температура горячего пятна при нарушении сверхпроводимости ВТСП будет определена по обычному сопротивлению способных на нарушение сверхпроводимости секций (которое частично определяется по удельному сопротивлению выбранных материалов), а максимальная температура сверхпроводника в способных на нарушение сверхпроводимости секциях будет определена в первую очередь по теплоемкости способных на нарушение сверхпроводимости секций. Поскольку длина способных на нарушение сверхпроводимости секций в этом примере ограничивается (и, как правило, будет отчасти ограниченной, чтобы избегать помещения НТСП в область сильного поля или избегать использования нагревателей в областях, где пространство является ограниченным), существуют противоположные требования. Теплоемкость может быть увеличена путем увеличения поперечного сечения способной на нарушение сверхпроводимости секции (например, путем увеличения поперечного сечения несверхпроводящего стабилизатора в способной на нарушение сверхпроводимости секции), но это также уменьшит обычное сопротивление. Использование для несверхпроводящего стабилизатора материалов, отличных от меди, может обеспечивать повышенную теплоемкость без сильного снижения обычного сопротивления. Например, как показано на фиг. 4 и 5, удельная теплоемкость нержавеющей стали (401) аналогична удельной теплоемкости меди (402), но электрическое удельное сопротивление нержавеющей стали (501) выше электрического удельного сопротивления меди (502). В целом подходящим будет металл, где отношение удельного сопротивления к объемной удельной теплоемкости металла больше этого отношения для меди.
Немедный стабилизатор может быть включен в дополнение к медному стабилизатору, например, обеспечивая отношение 1:1 для Cu:сверхпроводник, или к другому коммерчески доступному сверхпроводнику с медным стабилизатором в пределы матрицы из нержавеющей стали. Для ограничения температуры сверхпроводника конкретным значением, например, 300 К, должно быть добавлено достаточно нержавеющей стали, если вся энергия катушки сбрасывается в способные на нарушение сверхпроводимости секции. Ослабление тока будет зависеть от индуктивности и зависящего от температуры сопротивления способных на нарушение сверхпроводимости секций. Такая конструкция, использующая соотношение 1:1 для Cu:NbTi-сверхпроводник (NbTi является общеизвестным НТСП-материалом), вероятно ограничивает температуру горячего пятна ВТСП во время нарушения сверхпроводимости до приблизительно 100 К, как показано в моделировании по фиг. 6, которая показывает ток (601), пиковую температуру (602) горячего пятна ВТСП и пиковую температуру (603) NbTi для моделируемого нарушения сверхпроводимости. Конструкции, использующие сверхпроводник с более низким соотношением Cu:сверхпроводник, могут обеспечивать возможность дополнительных уменьшений в пиковой температуре горячего пятна ВТСП, например, до приблизительно 50 К при соотношение 0,1:1 для Cu:сверхпроводник, но это должно быть сбалансировано относительно необходимости сохранять стабильность способной на нарушение сверхпроводимости секции.
Магнит тороидального поля, использующий традиционные ВТСП-катушки, будет спроектирован с небольшим числом витков, каждый из которых переносит сильный ток (например: 12 катушек из 20 витков каждая переносят ~ 100 кА для 1,4 м поля основного радиуса ~ 3 Т). Этот подход минимизирует индуктивность и, следовательно, минимизирует напряжение, формируемое на внешнем разгрузочном резисторе при быстром выключении тока магнита. Быстрый сброс требуется, чтобы ограничивать температуру горячего пятна, но приводит в результате к высокому отношению dI/dt и, следовательно, высокому напряжению (=L.dI/dt). Даже при рабочем токе 100 кА индуктивность для TF-магнита с основным радиусом 1,4 м составляет ~240 мГн, а пиковое напряжение на разгрузочном резисторе будет ~24 кВ для времени сброса ~1 с. Это может быть уменьшено путем разделения единственного разгрузочного резистора на несколько отдельных резисторов с более низким значением, распределенных между секциями катушки, например: по одному на каждую TF-катушку. Для TF-магнита с 12 катушками это уменьшает пиковое напряжение из примера до 2 кВ, что является высоким, но приемлемым. Однако, каждая отдельная TF-катушка тогда требует пары токовводов 100 кА, пронизывающих криостат, с одним концом при температуре магнита и другим концом при комнатной температуре. Такие вводы являются очень громоздкими и дорогостоящими, занимающими значительное пространство вокруг токамака, которое необходимо для нагрева пучком нейтральных частиц, и т.д. Кроме того, во время обычной работы полный ток магнита должен проходить через несверхпроводящие прерыватели цепи, чтобы обходить разгрузочные резисторы. Эти прерыватели цепи привносят значительные потери мощности. Также они должны быть весьма надежными.
В предлагаемой конструкции внешние разгрузочные резисторы и прерыватели цепи заменяются способными на нарушение сверхпроводимости сверхпроводящими секциями катушки. Кроме того, использование способных на нарушение сверхпроводимости секций, которые объединены с катушками тороидального поля, обеспечивает возможность предоставления переключаемого разгрузочного сопротивления на каждом витке каждой катушки, если так желательно, так что напряжение, генерируемое во время сброса тока, может распространяться по способным на нарушение сверхпроводимости секциям. Это обеспечивает возможность ВТСП-катушки тороидального поля со встроенными способными на нарушение сверхпроводимости секциями, предоставляющими "разгрузочное сопротивление", конструироваться с большим числом витков и работать при более низком токе по сравнению с ВТСП-катушкой тороидального поля с традиционной защитой от нарушения сверхпроводимости с внешним сбросом. Ограничением на максимальное число витков становится число соединений между способными на нарушение сверхпроводимости секциями и остальной частью магнита, которых существует два на виток. Они являются по существу имеющими потери (являясь на практике ВТСП-медью-(ВТСП или НТСП)), таким образом добавляя к суммарной криогенной тепловой нагрузке. Наименьшая стоимость системы будет достигнута путем выбора оптимального числа витков, которое балансирует снижение затрат для более низкого тока переноса со стоимостью дополнительных соединений и охлаждения соединений.
Соединения могут быть сконструированы как соединения ВТСП-Cu-Cu-(ВТСП или НТСП), например, как показано на фиг. 8, путем соединения ВТСП-секции 801 с медным оконечным сопротивлением 803 со способной на нарушение сверхпроводимости ВТСП- или НТСП-секцией 802 с медным оконечным сопротивлением 803. Секции показаны как слои ВТСП/НТСП-ленты на медном сердечнике, но возможны другие конструкции. Соединение Cu-Cu может быть спаянным, или оно может быть спрессовано, обеспечивая возможность легкого демонтажа способной на нарушение сверхпроводимости секции (например, для разборки катушки тороидального поля с тем, чтобы осуществить доступ к элементам в катушке). Оптимально соединения будут спаянными с помощью припоя с более низкой точкой плавления, чем в используемом для сборки проводников витков из пакета отдельных ВТСП-лент и стабилизатора.
Когда для способных на нарушение сверхпроводимости секций используется НТСП, ВТСП-элементы обратных ветвей могут быть сконструированы, чтобы уменьшать тепловую нагрузку на НТСП-секции и/или дополнительно уменьшать стоимость. Например, вместо меди в качестве матрицы для ВТСП-секций 122 может быть использована латунь, имеющая аналогичные с медью электрические свойства, но более низкую удельную теплопроводность, что приведет в результате к меньшему теплопереносу от центральной колонны к НТСП-секциям. Альтернативно или дополнительно, доля ВТСП-проводника может быть уменьшена вдоль ВТСП-секций, чтобы получить преимущество температурного градиента, как показано схематично на фиг. 9. Число используемых ВТСП-лент больше по направлению к центральной колонне 701 (при 20 К) и уменьшается по направлению к НТСП-секции 702 (при 4,2 К). Температурный градиент для ВТСП-секции обратной ветви, использующей традиционную медную матрицу, показан на фиг. 7. Поскольку критический ток ВТСП будет увеличиваться по мере уменьшения температуры, ближе к НТСП-секциям потребуется меньше ВТСП, а ближе к центральной колонне потребуется больше. Это уменьшение может быть в дополнение к любому уменьшению в доле ВТСП-проводника, чтобы получать преимущество уменьшенной напряженности магнитного поля дальше от центральной колонны.
В качестве альтернативы или в дополнение к объединению способной на нарушение сверхпроводимости секции с обратными ветвями, способный на нарушение сверхпроводимости НТСП может быть объединен с центральной колонной. Это может быть выполнено путем предоставления НТСП в центре центральной колонны (т.е. вдоль ее оси), где магнитное поле будет уменьшено по сравнению с внешней частью центральной колонны. Достаточно матричного материала должно быть предоставлено для НТСП, чтобы гарантировать, что он имеет достаточную удельную теплоемкость, чтобы поглощать энергию нарушения сверхпроводимости, и катушка тороидального поля должна быть намотана так, чтобы любой ВТСП соединялся последовательно с НТСП (хотя необязательно на том же витке).
НТСП может также быть объединен с катушками полоидального поля, содержащими ВТСП. Однако, поскольку катушки полоидального поля типично выполняются только с ВТСП для использования в областях, где НТСП будет неподходящим (например, вследствие высоких магнитных полей), обеспечение НТСП-секции катушки маловероятно должно быть возможным в вышеописанном способе для катушек тороидального поля. Вместо этого, катушка полоидального поля в местоположении сильного поля может быть спарена с катушкой полоидального поля в местоположении слабого поля. Катушка полоидального поля в местоположении сильного поля содержит ВТСП, а катушка полоидального поля в местоположении слабого поля содержит НТСП. Катушки полоидального поля сильного поля и слабого поля находятся последовательно друг с другом. Когда в ВТСП-катушке полоидального поля обнаруживается нарушение сверхпроводимости, в НТСП-катушке полоидального поля осуществляется нарушение сверхпроводимости (тем же образом, что и вышеописанное нарушение сверхпроводимости НТСП-секции катушки тороидального поля). Фактически, НТСП-катушка полоидального поля действует как резистивная нагрузка для ВТСП-катушки полоидального поля.
В целом, то же конструктивное соображение, описанное выше относительно способной на нарушение сверхпроводимости НТСП-секции катушки тороидального поля, также применяется к НТСП-катушке полоидального поля, в частности, необходимость охлаждения и выбор материалов для несверхпроводящего стабилизатора, чтобы гарантировать, что в НТСП-катушке существует достаточная теплоемкость, чтобы поддерживать температуру НТСП ниже заданного значения, и достаточное удельное сопротивление, чтобы вызывать достаточно быстрое ослабление тока магнита, чтобы температура части с нарушенной сверхпроводимостью ВТСП-секции поддерживалась ниже заданного значения. Манипулирование этими противоположными требованиями для катушки полоидального поля вероятно должно быть легче, чем для катушки тороидального поля, поскольку НТСП-катушка полоидального поля будет больше ВТСП-катушки в большинстве случаев.