СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД ТИПА "КАБЕЛЬ-КОНДУИТ" ДЛЯ ОБМОТОК МАГНИТНЫХ СИСТЕМ
SUPERCONDUCTIVE WIRE OF "CABLE-CONDUIT" TYPE FOR MAGNETIC SYSTEMS WINDING

Изобретение относится к электротехнике, точнее к кабельным изделиям, в частности к сверхпроводящим кабельным изделиям, которые могут быть использованы для обмоток мощных сверхпроводящих магнитных систем, в том числе и для обмоток магнитных систем установки термоядерного синтеза типа «ТОКОМАК», например, изготавливаемой по международному проекту ITER, а также для обмоток сверхпроводящих накопителей энергии «СПИН» и устройств стабилизации реактивной мощности в электросетях.
Известны различные конструкции сверхпроводящих проводов с каналами для прокачки хладагента. Такие конструкции обеспечивают увеличение эффективного периметра теплопередачи провода к хладагенту, улучшение условий теплообмена, а также уменьшение заливного объема хладагента. Токопроводящие провода с каналами для прокачки хладагента могут работать в рефрижерательном режиме и замкнутом цикле [1].
Известна конструкция [2] с несколькими каналами для циркуляции хладагента. Проводники выполнены в виде коаксиальных медных трубок, пространство между которыми заполнено стабилизированными медью сверхпроводящими проволоками из сплавов Nb-Ti и Nb-Ti-Ta. Недостатком этих конструкций является большой расход хладагента на единицу плотности транспортируемого тока.
Указанный недостаток устранен в известном проводе типа «кабель-кондуит» [3], («кабель в оболочке», английский термин CIC - «cable in conduit»), который принят за прототип.
Этот провод содержит сверхпроводящий сердечник в виде нескольких (обычно шести) стренг. Каждая из стренг представляет собой скрутку из элементарных, стабилизированных медью сверхпроводящих проволок. Стренга может быть уплотнена, а также обвита тонкой узкой лентой предпочтительно с шагом не меньше ширины ленты, предохраняющей стренгу от разрыхления. Стренги скручены вокруг трубы с перфорированными отверстиями или полого гибкого элемента, представляющего собой спираль, свитую из металлической ленты (нержавеющей стали). Сердечник может быть уплотнен (пористость 30-60 %) и обмотан тонкой лентой. Этот сверхпроводящий сердечник размещен в несверхпроводящей трубе из нержавеющей стали или титана, являющейся оболочкой провода.
Хотя эта конструкция провода является работоспособной и обеспечивает требуемые электрофизические характеристики, сверхпроводящие свойства и параметры транспотировки тока для создания магнитного поля требуемой конфигурации и напряженности, однако у нее имеется существенный недостаток. Этот недостаток заключается в том, что при изготовлении длинномерного провода этой конструкции требуются специально разработанные режимы поперечной сварки оболочки для соединения между собой труб, каждая из которых длиною шесть метров. Кроме того, требуются специальные трудоемкие, ответственные и дорогие методы контроля каждого сварочного шва в отдельности и всей сваренной оболочки в целом, определяющие возможные места утечки гелия. Существенным недостатком этой конструкции является также то, что при ее изготовлении, операция установки (монтажа) сверхпроводящего сердечника в оболочке вызывает необходимость использования производственного участка большой протяженности, необходимой для размещения на нем всей длинной исходной трубы, отдельные отрезки которой соединены сваркой, образуя поперечные сварочные швы через каждые шесть метров.
Попытки изготовить такой провод типа «кабель-кондуит» путем продольной сварки оболочки, накладываемой на сверхпроводящий сердечник, предпринимались различными изготовителями неоднократно, но не увенчались успехом. Лучший образец, длиной около 300 метров, изготовленный в Японии, содержал три участка, на котором сварочный шов пропускал гелий. Поэтому международной командой, руководящей программой ITER, выбрана конструкция провода, являющаяся прототипом предлагаемого изобретения.
Цель настоящего изобретения - устранить указанные недостатки сверхпроводящего провода типа «кабель-кондуит».
Поставленная цель достигается за счет того, что сверхпроводящий провод типа «кабель-кондуит» содержит скрученный или транспонированный сверхпроводящий сердечник, размещенный на полом упругом элементе в виде спирали или в виде трубы с перфорированными отверстиями, и металлическую оболочку. Отличие в том, что оболочка выполнена комбинированной (композиционной). Внутренняя часть оболочки выполнена из алюминия или сплава на его основе, а наружная часть оболочки выполнена из стали или титана. Провод может быть выполнен круглого поперечного сечения или фасонного в виде прямоугольника, квадрата и др.
Предлагаемая конструкция провода имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- предложенная конструкция провода позволяет повысить строительную длину провода, длина которого ограничивается только возможностями приемной тары, поскольку изготовление внутренней алюминиевой трубы комбинированной оболочки осуществляют опрессовкой сверхпроводящего сердечника на гидравлическом кабельном прессе для наложения алюминиевой оболочки на кабели связи;
- полное устранение возможности утечки гелия через поперечные сварные швы оболочки, поскольку поперечные сварные швы отсутствуют, т.к. внутренняя алюминиевая часть комбинированной (композиционной) оболочки является цельнометаллической, бесшовной и поэтому гелий не проникает через внутреннюю цельнометаллическую часть оболочки;
- отпадает необходимость использования специальных дорогостоящих методов контроля утечки гелия через поперечные сварные швы;
- предлагаемая конструкция провода не требует, при ее изготовлении, создания специального оборудования и не требует протяженного производственного участка, равного длине провода;
- провод предлагаемой конструкции может быть изготовлен на имеющемся и освоенном оборудовании кабельных заводов: крутильных машинах, гидравлическом кабельном прессе для наложения алюминиевой оболочки на кабели связи (иногда для кабелей связи алюминиевую оболочку накладывают на бумажную изоляцию), оборудовании для наложения металлической оболочки на кабель путем продольной сварки за счет высокочастотного нагрева свариваемых кромок;
- варьирование размерами внутреннего диаметра оболочки из алюминия и обжатием сверхпроводящего сердечника при прессовании позволяет изменять пористость сверхпроводящего сердечника в более широком диапазоне и, в случае необходимости, уплотнять его в гораздо большей степени, чем это возможно в конструкции прототипа;
- наложение внутренней оболочки из алюминия высокой чистоты (99,995%), производство которого успешно освоено в стране, позволяет улучшить стабильность провода и тем самым повысить его надежность, поскольку электропроводность этого алюминия повышается при рабочей температуре провода в 1000 раз по сравнению с электропроводностью при комнатной температуре;
- указанные преимущества значительно снижают стоимость провода, который стоит очень дорого.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2 и фиг.3.
На фиг.1 изображено поперечное сечение предлагаемого сверхпроводящего провода, круглого сечения типа «кабель-кондуит», содержащего сверхпроводящий сердечник, размещенный на полом упругом элементе в виде спирали, и металлическую комбинированную (композиционную) оболочку с внутренней ее частью в виде цельнометаллической бесшовной трубы из алюминия и наружной частью оболочки из стали.
На фиг.2 представлена схема поперечного сечения сверхпроводящего провода типа «кабель-кондуит» с сечением круга, содержащего сверхпроводящий сердечник, размещенный на полом упругом элементе в виде тонкостенной трубы с перфорированными отверстиями в стенке трубы, и металлическую комбинированную (композиционную) оболочку с внутренней ее частью в виде цельнометаллической бесшовной трубы из алюминия и наружной частью оболочки из стали.
На фиг.3 представлено поперечное сечение прямоугольной формы сверхпроводящего провода типа «кабель-кондуит» в комбинированной (композиционной) оболочке с внутренней ее частью в виде цельнометаллической бесшовной трубы из алюминия и наружной частью оболочки из стали. Сверхпроводящий сердечник выполнен из девяти сверхпроводящих транспонированных стренг прямоугольного сечения, намотанных на прямоугольную спираль.
Ниже, в качестве примеров, представлены конкретные модификации сверхпроводящего провода типа «кабель-кондуит» предлагаемой конструкции, предназначенные для обмоток мощных сверхпроводящих магнитных систем.
Пример 1.
Сверхпроводящий провод типа «кабель-кондуит» круглого сечения. На фиг.1 изображено поперечное сечение предлагаемого устройства, представляющего собой сверхпроводящий провод типа «кабель-кондуит» для обмоток магнитных систем установок термоядерного синтеза типа ТОКОМАК. Провод содержит: гибкий полый элемент из нержавеющей стали в виде спирали - 1. На этом гибком полом элементе размещен сверхпроводящий сердечник, навитый из шести сверхпроводящих стренг, - 2. Каждая из этих шести сверхпроводящих стренг 2 представляет собой скрутку из элементарных стабилизированных медью сверхпроводящих проволок. Сверхпроводящий сердечник обмотан тонкой металлической лентой 3, предохраняющей сердечник от разрыхления и распускания в процессе изготовления провода. Стренга 2 также может быть уплотнена и обвита тонкой узкой лентой для предохранения ее от разрыхления и распускания в процессе изготовления провода. Сверхпроводящий сердечник заключен в комбинированную металлическую оболочку. Внутренняя часть 4 этой комбинированной (композиционной) оболочки выполнена из алюминия. Изготовление внутренней алюминиевой бесшовной трубы 4 этой комбинированной (композиционной) оболочки осуществляют опрессовкой сверхпроводящего сердечника на гидравлическом кабельном прессе для наложения алюминиевой оболочки на кабели связи. Наружная часть комбинированной (композиционной) оболочки 5 выполнена из стали.
Предлагаемый провод отличается от провода, изготовленного для установки термоядерного синтеза, разрабатываемой по международному проекту ITER, тем, что его оболочка выполнена комбинированной (композиционной) с внутренней ее частью из алюминия и наружной частью, выполненной из стали, тогда как провод, изготовленный для ITER, содержит только стальную оболочку.
Варьирование размерами внутреннего диаметра оболочки 4 из алюминия и обжатием сверхпроводящего сердечника при прессовании позволяет изменять пористость сверхпроводящего сердечника в более широком диапазоне, а в случае необходимости уплотнять его в гораздо большей степени, чем это возможно в конструкции прототипа.
Наложение внутренней оболочки 4 из алюминия высокой чистоты (99,995%), производство которого успешно освоено в стране, позволяет улучшить стабилизацию сверхпроводящего провода типа «кабель-кондуит» («кабель в оболочке», английский термин CIC - «cable in conduit»). При этом повышается его надежность, поскольку электропроводность этого алюминия увеличивается при рабочей температуре этого провода в 1000 раз по сравнению с его электропроводностью при комнатной температуре.
Предлагаемый провод имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
Полное устранение возможности утечки гелия через поперечные сварные швы, поскольку внутренняя часть 4 комбинированной (композиционной) оболочки выполнена из алюминия, является бесшовной и поэтому гелий не проникает через внутреннюю часть оболочки, выполненную из алюминия. При изготовлении же длинномерного провода, содержащего только стальную оболочку, требуются специально разработанные режимы поперечной сварки оболочки для соединения между собой труб, каждая из которых длиною шесть метров. При этом для исключения утечки гелия через поперечные сварные швы каждый сварочный шов и всю оболочку необходимо подвергать дорогостоящему специальному контролю, выполняемому высококвалифицированными специалистами. Предлагаемый провод исключает необходимость использования специальных дорогостоящих методов контроля утечки гелия через поперечные сварные швы.
Предлагаемый провод, при его изготовлении, не вызывает необходимость в создании специального оборудования, а также протяженного, равного длине провода производственного участка для размещения на нем всей стальной трубы, в которую затягивается сверхпроводящий сердечник. Кроме того, не требуется специальная контрольно-измерительная аппаратура измерения усилия затягивания сверхпроводящего сердечника в стальную трубу, необходимая для исключения возможности обрыва сердечника или трубы.
Предлагаемый провод может быть изготовлен на имеющемся и освоенном оборудовании кабельных заводов: крутильных машинах, гидравлическом кабельном прессе для наложения алюминиевой оболочки на кабели связи (иногда на сердечник с бумажной изоляцией), оборудовании для наложения стальной оболочки на кабель путем продольной сварки за счет высокочастотного нагрева свариваемых кромок.
Предложенная конструкция провода позволяет повысить строительную длину этого провода, длина которого ограничивается только возможностями приемной тары. При изготовлении провода, являющегося прототипом, необходим производственный участок, длина которого не меньше длины сваренной трубы, например 1000 м, поскольку сердечник затягивают в стальную оболочку, расположенную горизонтально, вытянутую на всю длину сваренной трубы.
Указанные преимущества позволяют значительно снизить стоимость провода, который стоит очень дорого.
Пример 2.
Сверхпроводящий провод типа «кабель-кондуит» круглого сечения. На фиг.2 изображена схема поперечного сечения предлагаемого сверхпроводящего провода типа «кабель-кондуит», имеющего форму круга. Этот провод содержит центральный гибкий полый элемент, представляющий собой тонкостенную металлическую трубу 6, с перфорированными отверстиями 7. Эти отверстия 7 служат каналами для подвода жидкого гелия непосредственно к сверхпроводящим стренгам 8 для лучшего охлаждения жидким гелием каждой из шести стренг, навитых на полый упругий элемент 6. Каждая из шести стренг 8 представляет собой скрутку из элементарных, стабилизированных медью сверхпроводящих проволок. Стренга 8 может быть уплотнена и обвита тонкой узкой лентой 9, предпочтительно с шагом не меньше ширины ленты, предохраняющей стренгу от разрыхления и распускания в процессе изготовления. Сердечник может быть уплотнен (пористость 30-60%) и также обмотан тонкой лентой 10. Сверхпроводящий сердечник заключен в комбинированную (композиционную) оболочку. Внутренняя часть этой оболочки 11 выполнена из алюминия в виде бесшовной тубы. Наружная часть комбинированной оболочки 12 выполнена из титана.
2
Для продольной сварки наружной оболочки 12 из титановой полосы можно использовать CO-лазер с фокусным расстоянием 0,2 мм, который позволяет осуществить высокую концентрацию энергетического пучка на весьма ограниченной площади свариваемых кромок трубы. Это позволяет сохранить неизменными такие характеристики титана, как его высокая коррозионная стойкость и хорошая деформируемость в холодном состоянии. Преимущества предлагаемого провода по сравнению с прототипом такие же, как в предыдущем примере.
Провод работает следующим образом. Применение провода с большим сечением токопроводящей жилы и соответственно высоким значением силы тока позволяет создавать крупные обмотки в мощных магнитах. Охлаждение обмотки осуществляют, используя вынужденную циркуляцию гелия внутри комбинированной оболочки. Провод, в основном, работает в сверхпроводящих магнитных системах, представляющих собой соленоид, размещенный в криогенной оболочке. Сверхпроводящий ток в проводе может быть вызван прохождением по проводу тока от внешнего источника тока или может быть индуцирован внешним магнитным полем. Провод навивают в виде обмотки желаемой конфигурации и используют в качестве обмоток сверхпроводящего электромагнита или обмоток другого криоэлектротехнического устройства.
Пример 3.
Сверхпроводящий провод типа «кабель-кондуит» плоского (прямоугольного сечения). На фиг.3 изображено поперечное сечение предлагаемого сверхпроводящего провода типа «кабель-кондуит», имеющего плоскую форму. Провод содержит: гибкий полый элемент из нержавеющей стали в виде прямоугольной спирали 13; девять сверхпроводящих стренг 14. Каждая из стренг 14 (если она представляет собой многожильную незамоноличенную конструкцию) может быть обвита тонкой металлической лентой 15. Сверхпроводящий сердечник из девяти стренг 14 представляет собой транспонированную конструкцию, основным преимуществом которой является высокая конструктивная плотность тока. Она достигается за счет равномерного распределения тока между стренгами и высокого коэффициента заполнения сердечника и каждой жилы, а также из-за низкого уровня потерь. В сверхпроводящих обмотках, генерирующих изменяющиеся во времени магнитные поля чаще всего используют транспонированные провода, изготовленные одноповивной скруткой с последующей формовкой до прямоугольного профиля. Все сверхпроводящие элементарные проволоки в стренгах таких проводов имеют одинаковую индуктивность и ток между ними распределяется равномерно, поэтому критический ток транспонированных стренг обычно равен сумме критических токов отдельных сверхпроводящих проволок.
Сверхпроводящий сердечник может быть обмотан тонкой лентой 16. Этот сердечник размещен в комбинированной оболочке. Внутреннюю часть оболочки 17 выполняют обычно из алюминия, однако если возникает необходимость в повышении ее прочности, внутренняя часть комбинированной оболочки может быть изготовлена из сплава на основе алюминия, обладающего более высокими прочностными свойствами, чем алюминий. Наружную часть комбинированной (композиционной) оболочки 18 выполняют из стали. Хотя процесс высокочастотной сварки наружной стальной оболочки неизбежно сопровождается образованием наружного и внутреннего грата и внутренний грат (19) врезается во внутреннюю алюминиевую оболочку 17, но, как правило, он имеет размеры (0,02 - 0,3 мм) и не препятствует нормальной работе провода, не приводя к утечке гелия. Наружный грат удаляется резцами.
Преимущества предлагаемого провода по сравнению с прототипом, помимо уже отмеченных, те же, что и в первом примере:
- полное устранение возможности утечки гелия через сварные швы, поскольку внутренняя часть комбинированной (композиционной) оболочки выполнена из алюминия, является бесшовной и поэтому гелий не проникает через внутреннюю часть оболочки, выполненную из алюминия;
- отпадает необходимость использования специальных дорогостоящих методов контроля утечки гелия через сварные швы наружной части оболочки, выполненной из стали или титана;
- предлагаемая конструкция провода не требует, при ее изготовлении, создания специального оборудования, требующего протяженного, равного длине провода производственного участка;
- провод предлагаемой конструкции может быть изготовлен на имеющемся и освоенном оборудовании кабельных заводов: крутильных машинах, гидравлическом кабельном прессе для наложения алюминиевой оболочки на кабели связи, оборудовании для наложения металлической оболочки на кабель путем продольной сварки за счет высокочастотного нагрева свариваемых кромок;
- наложение внутренней оболочки из алюминия высокой чистоты (99,995%), производство которого успешно освоено в стране, позволяет улучшить стабильность провода и тем самым повысить его надежность, поскольку электропроводность этого алюминия повышается при рабочей температуре провода в 1000 раз по сравнению с комнатной температурой;
- предложенная конструкция провода позволяет повысить строительную длину провода, длина которого ограничивается только возможностями приемной тары;
- провод с прямоугольным поперечным сечением позволяет повысить плотность обмотки сверхпроводящего магнита по сравнению с плотностью обмотки магнита проводом с поперечным сечением круга;
- указанные преимущества значительно снижают стоимость провода, который стоит очень дорого.
Источники информации
1. W.C.Hamilton. Manufacture of a 16000 AMP superconducting conductor for the Tocomak Toroidal field coil. Large Coil program. «Proc 9 Symp. Eng. Prohl. Fusion Researh // IEEE Pub. №81 CH 1716-2, p.324-327.
2. Г.Г.Свалов, Д.И.Белый. Сверхпроводящие и криорезистивные обмоточные провода. М.: Энергия, 1974 г., стр.108-109.
3. Рекламный буклет ВНИИКП «Провода сверхпроводящие в металлической оболочке».