Сильноточные ВТСП токовводы для ускорительной техники и токомаков

2013, Tом 10, выпуск 4

Тематика: ВТСП устройства

Токовводы являются на сегодняшний день одним из самых проработанных практических применений сильноточной высокотемпературной сверхпроводимости.

Рабочие токи магнитных систем термоядерных установок и ускорителей достигают десятков килоампер, что влечет значительные теплопритоки и выделения тепла в токовводах традиционной конструкции. Использование ВТСП материалов в нижней части токоввода позволяет практически до нуля свести тепловыделение: тепло выделяется лишь в области спаев, а вся нижняя часть токоввода находится в сверхпроводящем состоянии. Теплопритоки по нижней части токоввода также могут быть снижены практически на порядок, так сечение ВТСП  токоввода намного меньше, чем у традиционного. Кроме того, в ВТСП токовводах могут использоваться материалы со значительно меньшей теплопроводностью.

Практически все ВТСП токовводы имеют комбинированную конструкцию и состоят из трех частей:

- верхней резистивной части с низкой тепло-проводностью, находящейся при температуре от комнатной до промежуточной (40-80К);

- средней части (тепловому перехвату), имеющей высокую энтальпию и находящуюся при промежуточной температуре;

- ВТСП части с низкой теплопроводностью, находящейся при температуре от промежуточной до гелиевой (с нижнего конца ВТСП, часть токоввода обычно охлаждается жидким гелием, там же располагается спай с НТСП токо-подводом);

В сильноточных токовводах обычно используются ВТСП ленты с пониженной продольной теплопроводностью: ВТСП проводники 1-го поколения в Ag-Au матрице, или ВТСП проводники 2-го поколения без медного стабилизирующего слоя.

Основными техническими характеристиками ВТСП токовводов являются:

- токонесущая способность (с учетом распределения магнитного поля и температуры вдоль токоввода);

- величины теплопритоков в жидкий гелий и по тепловому перехвату;

- допустимое время работы на максимальном токе при прекращении охлаждения;

- падение напряжения на всем токовводе.

Нижний конец ВТСП части токоввода может охлаждаться жидким гелием как проточным, так и погружным способом, в зависимости от конструкции сверхпроводниковой магнитной системы. Средняя часть токоввода может охлаждаться как жидким азотом (проточным или с периодическим подливом в специальный объем), так и газообразным гелием, при температуре 40-80 К. Верхняя часть ВТСП токоввода обычно оснащена антиобледенительной системой (обдув воздухом, электрические нагреватели или водяной теплообменник).

Так как большинство сильноточных магнитных систем работают в циклическом и в импульсном режимах, то при проектировании токовводов необходимо учитывать распределение тока между отдельными ВТСП лентами (симметричность и однородность спаев), тепловыделения в массивных металлических деталях и диэлектрическую прочность изоляции.

ВТСП токовводы для Большого Адронного Коллайдера

В составе магнитной системы Большого Адронного Коллайдера (БАК) работают свыше 3000 токовводов, из них 1074 изготовлено из ВТСП ленты на основе Bi-2223 в Ag-Au матрице. В статье [1] описан опыт более чем 3 летней работы с ВТСП токовводами, рассчитанными на рабочие токи 0,6 кА,

6 кА, 7,5 кА и 13 кА (последние, в количестве 64 штук, установлены на главных диполях и квадруполях коллайдера).

На Рис. 1. изображен внешний вид ВТСП токовводов на 13 кА для БАК и схема гелиевого теплообменника их верхней части. ВТСП токовводы были разработаны в Национальной Ускорительной Лаборатории им. Ферми (Fermi National Accelerator Laboratory), США [2]. Рабочая температура ВТСП частей токовводов лежит в интервале между 50 К и 4,5 К. Резистивная часть токовводов охлаждается потоком газообразного гелия при температуре 20 К, а ВТСП часть – испаряющимся при 4,2 К гелием, Температура резистивной части токоввода поддерживается в диапазоне 280-328К. Токовводы оснащены защитной системой, срабатывающей при температуре ВТСП части - превышающей 60 К, при температуре резистивной части - большей 328 К, также предусмотрена защита по перенапряжению (100 мВ - на резистивной части и 3 мВ - на ВТСП). Защитная система производит вывод тока менее чем за 5 секунд.

Большой Адронный Коллайдер – самое масштабное на сегодня практическое применение ВТСП токовводов, как по общему количеству, так и по их рабочим токам.

Рис. 1. Схема 13 кА токовводов для БАК и конструкция их теплообменника на газообразном гелии [2].

ВТСП токовводы для ИТЭР

В токамаках пока еще не наблюдается масштабного применения ВТСП тоководов, как в ускорительной технике, однако уже разработаны и испытаны рабочие прототипы сильноточных ВТСП токовводов. Для сверхпроводниковой магнитной системы термоядерного реактора ИТЭР разрабатываются ВТСП токовводы с рабочими токами в 68, 52 и 10 кА. Исследования в этом направлении ведутся в технологическом институте Карлсруэ (KIT, Германия), Институте физики плазмы Китайской академии наук и других организациях. В таблице 1 приведены технические требования к ВТСП токовводам для ИТЭР [3].

В Институте физики плазмы Китайской академии наук разрабатываются опытные образцы токовводов на основе ВТСП 1-го поколения. Токовводы для магнитной системы тороидального поля ИТЭР на 68 кА изготовлены из ВТСП лент производства AMSC (США), токовводы для магнитной системы полоидального поля с рабочим током 52 кА выполнены из ВТСП проводника InnoST (КНР), и для центрального соленоида на 10 кА - из лент Sumitomo Electric Industries (Япония) [3]. Охлаждение всех токовводов ИТЭР - проточное газообразным гелием. Для проекта китайского тока-мака EAST тем же коллективом разрабатываются токовводы похожей конструкции на 15 кА.

Таблица 1. Требования на ВТСП токовводы для ИТЭР.

Рис. 2. Конструкция ВТСП части токоввода для ИТЭР [3].

Рис. 3. Внешний вид токовводов на 68 кА и 52 кА и их соединение с токонесущим элементом [3]. 

На Рис. 2 показана конструкция ВТСП части токоввода для ИТЭР, внутри которой находится составной шунт из нержавеющей (низ) и бронзовой (верх) труб. С обоих концов шунт закачивается медными деталями, к которым припаиваются стопки ВТСП лент и конец токонесущего элемента (CICC) магнитной системы. На Рис. 3 показан общий вид токовводов на 68 кА и 52 кА, а также их соединение с токонесущим элементом.

Таблица 2. Параметры изготовленных в КНР токовводов для ИТЭР [3].

ВТСП токовводы для коллайдера НИКА

В Курчатовском институте в рамках программы “Сверхпроводниковая индустрия”.ведутся разработки токовводов для магнитных систем различного назначения

В Институте физики плазмы (КНР) и параллельно в Курчатовском институте, в рамках проекта коллайдера на тяжелых ионах НИКА (ОИЯИ, Дубна), разрабатываются токовводы для сверхпроводниковых магнитных систем бустера и коллайдера.

На Рис. 4. изображен разработанный в Институте физики плазмы (КНР) токоввод для коллайдера НИКА [4]. В таблице 3 приведены его основные характеристики.

Рис. 4. Конструкция токоввода 12 кА (до 21 кА в импульсе), разработка КНР [4].

ВТСП часть токоввода состоит из стопок по 7-8 ВТСП лент 1-го поколения производства InnoST (КНР) с критическим током при 77 К не менее 100А, размещенных на трубе из нержавеющей стали. Резистивная часть токоввода охлаждается проточным жидким азотом. Температура верхнего терминала резистивной части поддерживается постоянной за счет протока воды. В качестве НТСП токоподвода используется НТСП токонесущий элемент магнитной системы нуклотрона, для улучшения электрического контакта отдельные ниобий титановые стренды припаиваются под стопки ВТСП лент. При испытаниях токоввода была продемонстрирована его работоспособность при токах до 23 кА.

Таблица 3. Основные характеристики ВТСП токоввода для коллайдера НИКА [4]. 

Токовводы из ВТСП лент 2-го поколения

В настоящее время активно разрабатываются токовводы на основе ВТСП лент 2-го поколения, которые обладают гораздо меньшей продольной теплопроводностью, чем ВТСП проводники 1-го поколения. Однако, контактное сопротивление со стороны подложки у ВТСП проводников 2-го поколения весьма велико, что создает сложности при параллельном соединении большого числа лент.

В работе [5] представлен разработанный корейскими исследователями опытный образец ВТСП токовводов на основе лент 2-го поколения производства AMSC. Для уменьшения сопротивления спаев в одном из вариантов конструкции использовались дополнительные короткие куски ВТСП лент 2-го поколения производства SuperPower SCS4050 (Рис. 5).

Электрические схемы распределения токов между лентами и вольтамперные характеристики стопок лент приведены соответственно на Рис. 6 и 7. Использование дополнительных ВТСП лент для усиления спая повышает токонесущую способность почти на 10%. 

Рис. 5. Различные конструкции спаев стопок лент 2-го поколения с токовыми терминалами [5].

Рис. 6. Распределение токов между ВТСП лентами [5].

Рис. 7. ВАХ ВТСП токовводов без усиления (а) и с дополнительным усилением (b) спая [5].

Еще один прототип ВТСП токовводов для устройств термоядерной энергетики был разработан теми же авторами [6] из ВТСП проводника производства компании SuNAM (Корея). Номинальный ток токовводов составляет 2 кА. ВТСП лента на основе GdBCO на хастеллоевой подложке имеет толщину 52.5 мкм, ширину – 12 мм, критический ток при 77К достигает 470А.  ВТСП ленты с напаянными на них нержавеющими шунтами припаяны к медным токовым терминалам (Рис. 8). Отказ от использования пачек ВТСП лент позволил уменьшить сопротивление спаев и избавиться от проблемы распределения тока между слоями (особенно в импульсном режиме). Измерения токонесущей способности 2 кА прототипа (Рис. 9) проводились в жидком азоте при скорости ввода тока 100 А/с. ВТСП токоввод описанной выше конструкции может служить базовым модулем при создании токовводов с более высоким рабочим током.

Модульную конструкцию ВТСП токовводов  разрабатывают также в Японии [7] на основе YBCO лент с критическим током при 77 К около 100 А (ширина  - 5 мм, толщина - 125 мкм, 15 мкм стабилизирующий слой серебра). Было изготовлено 10 модулей, состоящих из 5 ВТСП лент, расположенных на стеклопластиковой подложке (Рис. 9). Критический ток модулей в жидком азоте составлял от 408 до 536 А. Из 10 модулей был собран токоввод с током 4 кА при 77 К. Достигнута устойчивая работа в перегруженном режиме — на токе в 5 кА токоввоод проработал 10 минут, падение напряжения на его ВТСП части достигало 200 мкВ.

Рис. 8. Прототип ВТСП токоввода на 2 кА и его вольт-амперная характеристика [6].

Рис. 9. ВТСП модуль и состоящий из 10 модулей токоввод на 4 кА [8].

Рис. 10. ВАХ ВТСП модуля на 500 А (5 лент), временные зависимости тока и напряжений при испытаниях токовода из 10 модулей [7].

Описанная выше конструкция токовводов (со стеклопластиковой подложкой) обеспечивает крайне малые теплопритоки (Рис. 11), однако энтальпия ВТСП модулей мала, что заставляет делать среднюю часть таких токовводов весьма массивной для устойчивости к перегреву при аварийном режиме.

Рис. 11. Теплопритоки по длине ВТСП модуля.

ВТСП токовводы могут быть востребованы для большого числа сверхпроводниковых и криогенных устройств. Для многих систем требуются рабочие токи токовводов всего в сотни ампер, но вклад токовводов в снижение энергопотребления систем криогенного обеспечения имеет огромное значение, как с экономической точки зрения, так и по соображениям надежности.

1. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 23, No. 3, June2013, “Operation of 1074 HTS Current Leads at the LHC: Overview of Three Years of Powering the Accelerator”, A. Ballarino

2. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 23, No. 3, 1066, June 2011, “Current Lead Design for the Accelerator Project for Upgrade of LHC”, Jeffrey S. Brandt, Sergey Cheban, Sandor Feher, Marc Kaducak, Fred Nobrega, and Tom Peterson

3. Physics Procedia 36 ( 2012 ) 931 – 936, “Development of ITER HTS current lead at ASIPP”, Kaizhong Ding,Yanfang Bi, Hansheng Feng, Xiongyi Huang, Chenglian Liu, Xianjun Lin, Qing Ni, Guang Shen, Yuntao Song, Jia Tang, Huan Wu, Jingze Yu, Tingzhi Zhou*

4. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 23, No. 3, JUNE 2013, “Development of 12 kA HTS Current Lead for Accelerator Magnet Test Application”, Y. Bi, K. Ding , H. Feng

5. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 23, No. 3, 3013, June 2011, “A Structure Design of HTS Current Leads With Respect to the Structure of Coated Conductor and the Current Terminal”, Ki Sung Chang, Jae Young Jang, SukJin Choi, Hyun Chul Jo, Young Jae Kim, Min Cheol Ahn, Ho Min Kim, and Tae Kuk Ko

6. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 23, No. 3, June 2012, “Experimental Study of the New Type of HTS Elements for Current Leads to be Applied to the Nuclear Fusion Devices”, Jae Young Jang, Woo Seung Lee, Jae Sik Kang, Hyun Chul Jo, Young Jin Hwang, Jin Bae Na, Kideok Sim, Ho Min Kim, Yong Soo Yoon, Yoon Do Chung, Kyung Yong Yoon, and Tae Kuk Ko

7. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 23, No. 3, 1054, June 2011, “HTS Current Leads Prepared by the TFA-MOD Processed YBCO Tapes”, Yutaka Yamada, Yuichi Ishii, Satoshi Sakai, Kei Shiohara, Kyoji Tachikawa, Yuji Aoki, Atsushi Kaneko, Tsutomu Koizumi, Hitoshi Tamura, and Toshiyuki Mito 

М.С.Новиков