ВТСП-МАГНИТНЫЕ СЕКЦИИ
HTS-MAGNETIC SECTIONS

Область техники
Настоящее изобретение относится к изготовлению сверхпроводящих магнитов. В частности, изобретение относится к формированию ВТСП-магнитов (магнитов на основе высокотемпературных сверхпроводников).
Уровень техники
Сверхпроводящий магнит - это электромагнит, сформированный катушками из сверхпроводящего материала. Поскольку катушки магнита имеют нулевое сопротивление, сверхпроводящие магниты могут пропускать большие токи с нулевыми потерями (хотя и имеются некоторые потери от несверхпроводящих компонентов), и, следовательно, могут достигать намного более высоких полей, чем обычные электромагниты.
Сверхпроводимость возникает только в определенных материалах и только при низких температурах. Сверхпроводящий материал будет вести себя как сверхпроводник в области, ограниченной критической температурой сверхпроводника (наибольшей температурой, при которой материал является сверхпроводником в нулевом магнитном поле) и критическим полем сверхпроводника (наибольшим магнитным полем, в котором материал является сверхпроводником при 0 K). Описанные температура сверхпроводника и магнитное поле ограничивают ток, который может пропускаться сверхпроводником без того, чтобы сверхпроводник стал имеющим сопротивление проводником.
Вообще говоря, имеется два типа сверхпроводящих материалов. Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) имеют критические температуры ниже 30-40 K, а высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) имеют критические температуры выше 30-40 K. Многие имеющиеся ВТСП-материалы имеют критические температуры выше 77 К, что позволяет использовать для охлаждения жидкий азот.
Для изготовления сверхпроводящего магнита с использованием ВТСП, материал ВТСП обычно формируется в ленты. На Фиг.1 показана схематическая иллюстрация компонентов обычной ВТСП-ленты 200. Такая лента 200 обычно имеет толщину приблизительно 100 микрон и включает в себя электрополированную подложку 201 из сплава хастеллой толщиной приблизительно 50 микрон, на которую ионно-лучевым осаждением (IBAD) или магнетронным напылением наносят ряд слоев 202 буферного пакета, каждый в толщину приблизительно 0,2 микрон. Эпитаксиальный (RE)BCO-ВТСП слой 203 (нанесенный химическим осаждением из паровой фазы методом разложения металлоорганических соединений (MOCVD) или посредством другого метода) покрывает буферный слой и имеет обычно толщину 1-5 микрон. Слой 204 серебра толщиной два микрона наносят на слой ВТСП распылением, и стабилизирующие слои 205 меди толщиной 20 микрон наносят гальваническим образом на обе стороны ленты. Ленты формируют в кабели, которые затем наматывают с образованием обмоток магнита. Возможные кабельные структуры включают в себя обмотку лент вокруг медного сердечника или пакетирование лент в слои так, чтобы нижняя сторона одной ленты лежала непосредственно на верху верхней стороны следующей ленты.
Изготовление магнитов таким образом имеет несколько недостатков. Во-первых, для формирования полных обмоток кабели должны быть очень длинными, что представляет собой производственную проблему при изготовлении ВТСП-ленты и означает высокую стоимость замены поврежденной ленты. Во-вторых, наматывание магнитов в этом случае означает, что большие сверхпроводящие магниты, как правило, должны будут создаваться на месте, поскольку готовый магнит слишком громоздкий для его перемещения. В-третьих, использование кабелей ограничивает возможные конфигурации ВТСП-ленты, например, кабели, сформированные из пакетированных лент, имеют минимальный радиус кривизны, поскольку любая деформация на лентах, большая чем 0,2%, будет препятствовать сверхпроводимости ленты. Например, пакет лент высотой 16,5 мм будет иметь минимальный радиус кривизны 4125 мм, что сделает обмотку тороидального поля (обмотку возбуждения тороидального поля), использующую такие кабели, минимум 16 м от края до края. В-четвертых, число лент в кабеле фактически определяется наибольшим магнитным полем, действию которого этот кабель подвергается, т.е. кабель в обмотке тороидального поля, который испытывает действие очень большого поля в центральном столбе, но действие меньшего поля в обратной наружной ветви, должен все же иметь достаточно ленты по всей ее длине для функционирования при большом поле, даже при том, что намного меньше было бы необходимо ленты при меньшем поле.
Имеющиеся кабельные конструкции также характеризуются трудностями при соединении ВТСП-кабелей между собой. Могут быть использованы соединения с использованием резистивных проводников, но они добавляют существенную тепловую нагрузку, так что в идеальном случае ленты в одном кабеле должны очень близко примыкать к лентам в другом кабеле для уменьшения сопротивления соединения. Это может быть сделано укладкой лент на концах заданных кабельных длин, но это может быть затруднительным или даже невозможным с гибкими кабелями однородного сечения, изготовленными с большими длинами.
Каждый из документов US 2006/073979 A1 и EP 1261112 A2 раскрывает ВТСП-кабели, имеющие медный корпус, в котором ВТСП-ленты спаяны.
Сущность изобретения
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предоставляется узел для переноса (пропускания) электрического тока в обмотке магнита. Узел содержит предварительно сформированный корпус, который содержит канал, выполненный с возможностью удержания ВТСП-ленты. Множество слоев ВТСП-ленты фиксируется в пределах канала. Канал включает в себя по меньшей мере одну предварительно сформированную изогнутую секцию. Предварительно сформированный корпус может быть сформирован из теплопроводящего и электропроводящего материала, такого как медь.
Предварительно сформированная изогнутая секция имеет радиус кривизны, который меньше полной толщины слоев ВТСП-ленты в этой секции, деленной на удвоенную максимально допустимую деформацию ВТСП-ленты.
Узел может содержать область соединения. ВТСП-лента в области соединения может быть расположена на внешней поверхности узла, так что ВТСП-лента приводится в контакт с ВТСП-лентой соответствующего узла, когда внешние поверхности областей соединения узлов сведены между собой. Такие области соединения позволяют сформировать катушки из многих таких узлов, и отдельные секции катушек тогда могут быть вставлены и удалены при необходимости.
Корпус может содержать один или более каналов хладагента для получения возможности протекания хладагента через узел.
Изобретение также предоставляет секцию обмотки возбуждения из сверхпроводящего магнита, содержащую вышеописанный узел, и обмотку возбуждения, содержащую множество таких секций.
В соответствии с одним вариантом реализации, предоставляется обмотка тороидального поля для создания тороидального магнитного поля в тороидальном термоядерном реакторе. Катушка содержит центральный столб (колонну) и множество обратных наружных ветвей, причем каждая содержит по меньшей мере одну вышеописанную секцию. Центральный столб может быть отделяемым от обратных наружных ветвей и может быть заменяемым. Секции, которые проходят через центр центрального столба, могут содержать меньше слоев сверхпроводящей ленты, чем секции, которые проходят через центральный столб дальше от центра.
Обратные наружные ветви могут быть выполнена так, что те области обратной наружной ветви, которые наиболее удалены от центрального столба, при использовании имеют меньше слоев сверхпроводящей ленты, чем области, которые находятся ближе к центральному столбу. Каждая обратная наружная ветвь может быть выполнена так, что расстояние между лентами в обратной наружной ветви больше в тех областях обратной наружной ветви, которые находятся дальше от центрального столба, и меньше в тех областях обратной наружной ветви, которые ближе к центральному столбу. Каждая обратная наружная ветвь может быть расщеплена так, чтобы уменьшить собственное поле.
В соответствии с вариантом реализации предоставляется термоядерный реактор, содержащий обмотку тороидального поля, которая описана выше, и/или обмотку полоидального поля, включающую одну или более секций, которые описаны выше.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предоставляется способ изготовления узла для переноса электрического тока в катушке магнита. Способ содержит формирование корпуса, имеющего необходимую форму узла, причем корпус содержит по меньшей мере один канал, выполненный с возможностью удержания ВТСП-ленты. Множество слоев ВТСП-ленты отдельно укладываются в канал и фиксируются в пределах канала. Канал имеет по меньшей мере одну предварительно сформированную изогнутую секцию. Предварительно сформированная изогнутая секция может иметь радиус кривизны в по меньшей мере одной секции, который меньше полной толщины слоев ВТСП-ленты в этой секции, деленной на удвоенную максимально допустимую деформацию ВТСП-ленты. Фиксирование ВТСП-ленты в пределах канала может содержать припаивание ВТСП-ленты к меди корпуса с использованием низкотемпературного припоя.
Дополнительные варианты реализации изобретения изложены в п.2 формулы и далее.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематическую иллюстрацию компонентов стандартной ВТСП-ленты;
Фиг.2 представляет собой сечение центрального столба обмотки тороидального поля в соответствии с вариантом реализации;
Фиг.3 представляет собой схематическую иллюстрацию обратной наружной ветви обмотки тороидального поля в соответствии с вариантом реализации;
Фиг.4a, 4b и 4c представляют собой схематические иллюстрации соединения в соответствии с вариантом реализации.
Подробное описание
Для преодоления вышеупомянутых проблем ниже предлагается альтернативная конструкция для ВТСП-магнитов. Вместо использования кабелей, предварительно формируется жесткий или полужесткий корпус желаемой формы с каналом, предназначенным для удержания ВТСП-ленты. Корпус должен быть в целом жестким, но следует понимать, что он может быть слегка изогнут вокруг любой комбинации осей, сжат или растянут после того, как он изготовлен, при условии, что не превышается максимально допустимая деформация лент в пределах узла. Корпус не должен быть слишком гибким, чтобы наматываться в виде катушки (как с обычными ВТСП-кабелями), но вместо этого должен быть достаточно жестким для поддержания по существу своей формы. Корпус может быть выполнен из такого материала, как медь, имеющей высокую теплопроводность и электропроводность, или из материала с высокой прочностью и жесткостью, такого как нержавеющая сталь, или из комбинации обоих. ВТСП-лента затем укладывается раздельно в канале и фиксируется на месте. Конструкция будет описана прежде всего относительно обмотки тороидального поля (которая может быть использована, например, в плазменной камере, такой как сферический токамак, для использования в качестве термоядерного реактора), поскольку эта геометрия демонстрирует многие из преимуществ конструкции, но специалист в данной области техники поймет, что эта конструкция может быть использована с любой геометрией сверхпроводящего магнита.
r
t
e
r
t
e
Для пакета лент в обычном кабеле (то есть того, который сформирован как прямой и затем изогнут) минимальный радиус кривизны, , задается как толщина пакета, , деленная на удвоенную максимально допустимую деформацию, , то есть =/(2), где максимально допустимая деформация задается в %. Например, для пакета глубиной 10 мм, где максимально допустимая деформация составляет 0,2%, привнесение любой кривизны с радиусом меньше 2500 мм повредило бы ленту. Максимально допустимая деформация - это деформация, при которой рабочие параметры ленты падают ниже приемлемых значений. Примерные значения максимально допустимой деформации могут быть "необратимой деформацией" (то есть деформацией, при которой лента не восстанавливается, когда напряжение снято), или деформацией, при которой пропускная способность по току ленты падает до 90% относительно пропускной способности по току в случае без деформации.
Раздельная укладка ВТСП-ленты в канале предварительно заданной формы позволяет выполнить намного более плотные изгибы, чем с обычным кабелем с пакетированными ВТСП-лентами. Минимальный радиус кривизны определяется толщиной отдельной ленты (приблизительно 0,1 мм), а не толщиной пакета, что означает, что он может быть всего лишь 25 мм. Практически, такие крутые изгибы не бывают необходимыми, но это дает значительно больше допусков для деформации, вызываемой Лоренцевыми и тепловыми напряжениями. Для обмотки тороидального поля сферического токамака термоядерного реактора, каждый переносящий электрический ток узел может содержать большее число лент, чем это было бы возможным с обычным ВТСП-кабелем, что означает, что центральный столб может быть выполнен более компактным.
Изгиб ВТСП-лент предпочтительно должен быть ограничен изгибанием вокруг осей, параллельных плоскости ВТСП-материала (обычно обозначающимся как оси a, b), поскольку изгибание вокруг оси c, перпендикулярной к ВТСП-ленте, подвергается более жестким ограничения на радиус. Корпус может быть выполнен так, что лента закручивается вокруг длинной оси, чтобы избежать таких изгибов. Альтернативно, канал может быть выполнен таким, чтобы ленту можно было уложить со скручиванием вокруг длинной оси, где необходимо, без специального введения таких поворотов в канал.
ВТСП-лента может быть зафиксирована на месте с использованием, например, низкотемпературного припоя или смолы, или пластикового связующего.
На Фиг.2 показано сечение центрального столба обмотки 1 тороидального поля, содержащей несколько переносящих ток узлов. Каждый узел 10 содержит медный корпус 11 с каналом, предназначенным для удержания ВТСП-ленты 12, и каналом 13 хладагента, и пакет 12 ВТСП-лент. Число лент в каждом пакете варьируется в пределах центрального столба, причем больше лент предоставляется в областях с большим магнитным полем (к внешней стороне столба), поскольку ток, который может переноситься каждой лентой, уменьшается в областях большого поля. В этом примере узлы 10 размещены в десяти секциях или сегментах 14, причем каждый сегмент содержит двадцать один узел в шести рядах.
Показанная на Фиг.2 схема размещения подобна той, что была бы возможной с обычными кабелями ВТСП, но также возможны другие конфигурации. Например, каждый из десяти сегментов 14 может содержать пакет изогнутых медных листов с соответствующим числом лент, припаянных к каналам на их поверхности, и радиальными промежутками между ними для предоставления возможности охлаждения. В принципе, весь центральный столб может содержать полностью коаксиальные медные цилиндры с лентами, припаянными к каналам на их поверхности.
Переносящие ток узлы могут быть выполнены так, чтобы конфигурация лент отличалась, как необходимо, для различных частей сверхпроводящего магнита. Например, ленты в обратных наружных ветвях обмотки тороидального поля могут быть разнесены для уменьшения действия поля на ВТСП в обратных наружных ветвях (что также создаст пространство для обеспечения возможности лучшей поддержки относительно напряжения Лоренца). Это уменьшенное поле означает, что меньше лент требуется в обратной наружной ветви по сравнению с центральным столбом. Подобная разнесенная конструкция может быть использована для обмоток полоидального поля. На Фиг.3 схематично показан "разглаженная" обратная наружная ветвь с иллюстративными напряженностями поля. Большее число лент предоставляется в областях, которые подвергаются действию больших полей, и меньшее число лент - в областях, которые подвергаются действию меньших полей. В областях 20, где переносится ток, поле достаточно мало, чтобы уменьшить число лент для переноса тока, но допускается некоторое перекрытие с тем, чтобы ток мог перераспределиться между лентами с минимальным сопротивлением.
Так же как число лент, варьирующееся по длине переносящего ток узла, сечение узла может варьироваться по его длине, например, для обеспечения большей толщины меди в некоторых секциях, или для разнесения лент в обратных наружных ветвях для уменьшения собственного поля на обратных наружных ветвях.
Альтернативно, или дополнительно к варьированию числа лент, "качество" используемых лент может варьироваться по длине узла. В этом контексте ленты "более высокого качества" могут поддерживать более высокую плотность тока в больших магнитных полях и, следовательно, более дорогостоящи. Например, ленты более высокого качества могут быть использованы в секциях с большим собственным полем, а ленты более низкого качества могут быть использованы в секциях, где собственное поле ниже. Любая из этих мер позволяет получить достаточную способность к переносу тока в областях, где это необходимо для стабильности магнита, при этом все ещё позволяя использовать в других областях менее дорогостоящие конструкции.
Точный контроль позиционирования отдельных лент в пределах переносящих ток узлов дает возможность выполнить соединения между узлами, подлежащими изготовлению, поскольку ленты соединяющихся узлов могут быть точно установлены друг относительно друга. Как пример, на Фиг.4a к 4c показаны соединения типа "молящиеся руки" между центральным столбом 34 и обратной наружной ветвью 35 обмотки 30 тороидального поля. И центральный столб, и обратная наружная ветвь показаны как имеющие две петли 31 и 32, каждая из которых сформирована из двух переносящих ток узлов 31a, 31b, 32a, 32b, которые стыкуются в соединении 33. Медный корпус 11 имеет такую форму, что области соединения могут быть приведены в контакт, и канал для ВТСП выполняется в меди механической обработкой так, чтобы обеспечить контакт лента к ленте в области соединения. Ленты 12 располагаются так, что каждая лента простирается на некоторое расстояние на поверхности и параллельно поверхности у соединения, обеспечивая относительно большую область 36 контакта лента к ленте и, таким образом, низкое сопротивление. В показанном на Фиг.4c примере число лент на каждой стороне соединения равно, но это не обязательно должно быть так, при условии, что имеется достаточный контакт между лентами на каждой стороне.
Может быть сформировано подобное соединение, где две "руки" точки соединения находятся в противоположных направлениях (например, отражая узел правой руки на Фиг.4c вокруг горизонтальной линии, так что ВТСП-лента выходит на вершине фигуры).
Наличие соединений в сверхпроводящем магните обеспечивает несколько преимуществ. Во-первых, это позволяет выполнить узлы в меньших секциях. Это означает, что большие магниты могут быть созданы в нескольких деталях, достаточно небольших для транспортировки, которые могут быть выполнены не на месте и перемещены в запланированное местоположение магнита. Использование меньших секций также обеспечивает возможность более простого создания некоторых геометрий, например, сферический реактор-токамак имеет обмотку и полоидального, и тороидального поля, и обычная конструкция имеет обмотку полоидального тока вне обмотки тороидального тока. Если центральный столб обмотки тороидального поля может быть вставлен, и обратные наружные ветви присоединены только после того, как обмотка полоидального поля завершена, то обмотка полоидального поля может быть легко помещена в обмотку тороидального поля, что обеспечивает лучшее магнитное поле для удержания плазмы, а также уменьшение размеров и стоимости обмоток полоидального поля и их источников питания и уменьшение внешнего магнитного поля токамака.
Обмотки и тороидального, и полоидального поля сферического реактора-токамака могут быть выполнены в соответствии с описанной здесь конструкцией, или как цельные обмотки возбуждения без соединений, или в виде соединенных секций.
Рассматривая снова сферический реактор-токамак, одна из проблем при конструировании такого реактора - это необходимость минимизировать диаметр центрального столба (поскольку это увеличивает эффективность реактора). Однако, ВТСП-лента чувствительна к повреждению нейтронами и, таким образом, для гарантии того, что лента может выдержать окружающую среду с интенсивными нейтронами, требуется экранировка. Эта экранировка значительно добавляет к толщине центрального столба, и уменьшает напряженность поля вне центрального столба (поскольку участок переноса тока глубже в пределах центрального столба). Если центральный столб может быть удален и заменен, то он может рассматриваться фактически как заменяемая часть, снабжаться уменьшенной экранировкой и может заменяться каждые несколько месяцев или лет (вместо того, чтобы ожидать до последнего в течение срока службы реактора). Когда центральный столб рассматривается как заменяемый, степень защиты от потери сверхпроводимости (следовательно, от гашения магнитного поля) в столбе (например, медь для обеспечения альтернативных путей тока и систем контроля потери сверхпроводимости) может быть уменьшена или полностью исключена, поскольку центральный столб может быть заменен в случае повреждения из-за потери сверхпроводимости. Соединения, таким образом, обеспечивают простой "единовременный" узел обмоток, имеющий топографию, затруднительную для достижения с "намотанными" обмотками. Соединения также дают возможность удалять или заменять отдельные части магнитов (такие как центральный столб обмотки тороидального поля).
Соединения подразумевают некоторое сопротивление (хотя увеличение площади контакта сводит это к минимуму), так что образуется некоторая дополнительная тепловая нагрузка на криогенную систему. Поэтому имеется компромисс между преимуществами наличия множественных меньших секций и недостатками от наличия множества соединений. Это может быть смягчено при наличии дополнительного охлаждения, которое специально предназначено для соединений. Кроме того, когда магнит представляет собой обмотку тороидального поля, используемую в термоядерном реакторе, нагревание, вызванное соединениями, относительно мало по сравнению с нагревом, которому подвергается центральный столб, и, таким образом, не привносит существенную дополнительную нагрузку на криогенную систему.