Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

ВТСП токонесущие элементы для сверхпроводящей магнитной системы перспективного токамака DEMO

2014, Tом 11, выпуск 1
Тематика: ВТСП устройства

Сейчас достаточно сложно представить, каким должен быть токамак DEMO, предназначенный для демонстрации и изучения термоядерных реакций с положительным балансом энергии. DEMO должен стать первым прототипом термоядерной электро-энергетической установки. Основная сложность заключается в том, что детали конструкции, и даже сама концепция устройства находятся в стадии проработки, которая будет продолжатся длительное время. Строительство DEMO планируется начать только после пуска и продолжительной эксплуатации ITER, время запуска которого уже несколько раз переносилось в связи с финансовыми и техническими сложностями. С каждым годом продолжают развиваться технологии работы с плазмой, создания сверхпроводящих токонесущих элементов, происходит прогресс и в области материаловедения. Много новой информации будет получено также в результате создания и эксплуатации ITER, что сможет кардинально изменить сегодняшние представления о конструкции DEMO.

Рано или поздно устройство с похожими на DEMO параметрами будет создано. Уже существует ряд наработок, возникших в ходе создания ITER и ряда других установок.

Термоядерный реактор типа токамак состоит из следующих основных частей: магнитной системы, криогенной и вакуумной систем, системы энергопитания, бланкета, тритиевого контура и биологической защиты, а также системы дополнительного нагрева плазмы и подпитки ее топливом, дистанционного управления и диагностики.

Одним из ключевых вопросов при создании любого термоядерного или плазменного устройства является его магнитная система. Единственным надежным и энергетически выгодным способом получения магнитных полей для длительного удержания и нагрева плазмы, является использование сверхпроводящих магнитных систем.

Магнитная система любого токамака содержит следующие катушки:

- обмотки тороидального магнитного поля (могут работать как в стационарном, так и в  импульсном режиме, создают наибольшее поле из всех обмоток токамака);

- индуктор для поддержания тока плазмы и ее индукционного нагрева – центральный соленоид (работает в импульсном режиме);

- обмотки, создающие полоидальное (направленное вдоль оси тора) магнитное поле, необходимое для работы дивертора и поддержания равновесия плазменного шнура.

В работе [2] приведено сравнение основных проектных параметров токамаков ITER и DEMO, см. Рис. 1. Энергия термоядерной реакции в DEMO почти в 5 раз больше чем в ITER, что обеспечивает гигаватт избыточной электрической мощности. На первый взгляд, параметры, установок отличаются не так сильно – у DEMO чуть больше радиус плазменного шнура и ток плазмы. Для магнитной системы, и ее самого критичного места – тороидальных обмоток, плотность тока на 40%, а магнитное поле в центре тора на 0,5 Тл выше, чем у ITER. Однако, так как тороидальные обмотки ITER выполнены на пределе возможностей современных сверхпроводниковых технологий по сочетанию максимального поля на обмотке, плотности тока и механических свойств проводника, то достигнуть дальнейшего улучшения технических характеристик будет весьма не просто. Улучшить параметры сверхпроводящей магнитной системы путем понижения рабочей температуры (как это было сделано в большом адронном коллайдере) в токамаках практически невозможно.

Рис. 1. Сравнение параметров ITER и DEMO [2], схематическое изображение токамака [3].

В работе [1] приводится сравнение полевых и тем-пературных зависимостей критических токов различных сверхпроводников. Из Рис. 2 видно, что ниобий-титан и диборид магния не подходят для обмоток тороидального поля вообще, так как не обеспечивают требуемого поля при должной плотности тока, а возможности ниобий-олова практически исчерпаны. ВТСП проводники 1-го поколения (Bi-2223) эффективны лишь при температурах ниже 20 К. Иттриевая (или  редкоземельная) керамика ВТСП проводников 2-го поколения выгодно отличается возможностью работы чуть ли не в жидком азоте под откачкой, хотя по соображениям плотности тока рабочая температура, скорее всего, будет лежать в диапазоне от 20 до 30 К. Данный диапазон выгоден еще по причине относительно высокой тепловой стабильности токонесущего элемента по сравнению с гелиевыми температурами, что обусловлено температурными зависимостями теплоемкости и теплопроводности используемых материалов (Рис. 3, [12]). При температуре 20-50 К они на порядок выше, чем при 4,2 К.

ВТСП ленты на основе YBCO или GdBCO, допированные цирконием для улучшения пиннинга, пока-зывают с каждым годом все лучшие полевые зависимости критических токов. Также интересны работы AMSC по созданию искусственных центров пиннинга путем облучения протонами. Это интересно не только с точки зрения улучшения полевой зависимости, но и как показатель устойчивости ВТСП проводников 2-го поколения к радиации – улучшение, а не ухудшение критических свойств вплоть до достаточно больших доз облучения, является немаловажный фактором для термоядерных реакторов.

Рис. 2. Обоснование применения ВТСП-2 в токамаках [1].

Рис. 3. Удельная теплоемкость и теплопроводность некоторых материалов, входящих в состав токонесущих элементов [12].

Другими проблемами, определяющими кон-струкцию ВТСП токонесущего элемента, являются высокие рабочие токи и механическая устойчивость при работе в магнитном поле, создаваемом обмоткой. Эти вопросы определяют способы агрегатирования ВТСП проводников 2-го поколения для использования в DEMO.

Энергия магнитного поля в обмотках токамаков будет составлять десятки и сотни гигаджоулей [1]. Напряжение при выводе тока, а в импульсном режиме и при вводе тока, достигает киловольт (что уже создает некоторые проблемы с диэлек-трической прочностью изоляции [13]). Ток тороидальных обмоток составляет от 50 до 100 кА. Токи лучших ВТСП лент второго поколения в полях 15 Тл при 20 К составляют около 100 А (при ширине ленты 4 мм). Теоретически в ближайшие 10-20 лет за счет повышения толщины ReBCO слоя и улучшения искусственных центров пиннинга, критические токи могут вырасти (а могут и не вырасти) в пять-десять раз. Отдельные ВТСП ленты необходимо агрегатировать, причем таким образом, чтобы полученный сильноточный токонесущий элемент имел низкие потери в импульсном режиме и был устойчив в стационарном режиме работы. Кроме того, такой токонесущий элемент должен выдерживать деформацию в обмотке, обусловленную пондеромоторными силами, и деформацию из-за градиентов температуры при охлаждении. Токонесущий элемент должен обеспечивать возможность охлаждения (равномерного распределения температуры), обладая надежной электрической изоляцией. В токонесущем элементе ITER применяется проточное охлаждение жидким гелием, который прокачивается через канал в CICC токонесущем элементе. В ВТСП токонесущем элементе, вероятно, будет использоваться охлаждение прокачкой газообразного гелия через сам элемент или специальные каналы в обмотке, возможно также, использование жидкого водорода (имеет преимущество перед всеми остальными хладагентами в теплоемкости и теплоте испарения).

Существует различие в требованиях к сверхпроводящим магнитным системам, работающим в ста-ционарном и импульсном режимах. К импульсным обмоткам предъявляются более высокие требования к балансу энерговыделения и охлаждения, к вели-чине и скорости ввода рабочего тока. В DEMO в импульсном режиме может работать лишь центральный соленоид, осуществляющий индук-ционный нагрев плазмы, остальные обмотки будут работать на постоянном токе.

В работе [4] описана конструкция токонесущего элемента, состоящего из ВТСП лент, проложенных с целью стабилизации и выравнивания температуры медными лентами, вся эта стопка вложена в стальную оболочку, покрытый изоляцией. Данный прототип токонесущего элемента обмоток стацио-нарного режима был исследован на устойчивость к деформации изгиба, например, возникающего при намотке (см. Рис. 4.).

 

Рис. 4. Прототип не транспонированного токонесущего ВТСП элемента и результаты исследования его образцов на изгиб [4].

 

Для сверхпроводящих обмоток, работающих в импульсном режиме, необходим токонесущий элемент с низким уровнем тепловыделения в изменяющемся внешнем магнитном поле, то есть транспонированный или твистированный токонесущий элемент. На сегодняшний день существуют три конструкций подобных токонесущих элементов из лент ВТСП 2-го поколения (см. Рис. 5).

 

Рис. 5. Транспонированные токонесущие ВТСП элементы: твистированная стопка лент, геликоидальный гибкий компактный токонесущий элемент, и кабель типа Рёбель [5].

 

Первая из них - твистированная с шагом 100 – 300 мм стопка ВТСП лент. Для применения в магнитных полях она вкладывается в оболочку (см. Рис. 7). На Рис. 7 показаны также различные способы дальнейшего агрегатирования таких токонесущих элементов [7], при испытаниях которых обнаружены некоторые проблемы с механическими свойствами при работе в магнитных полях [5].

Вторая конструкция, это токонесущий элемент из ВТСП лент, спирально намотанных в несколько слоев на круглый (или овальный) формер. Диаметр гибкого формера составляет несколько миллиметров, он может быть изготовлен из различных материалов, быть сплошным или полым с каналом для проточного охлаждения. Разработка данной конструкции (CORCC) была начата американскими исследователями в 2009 г. [9]. С 2011 года аналогичные токонесущие элементы, с отличиями в деталях и способе изготовления, разрабатывается в Курчатовском институте [10]. Агрегатирование токонесущих элементов типа CORCC может быть осуществлено аналогично предыдущей конструкции (Рис. 6). Даже незафиксированные по всей длине образцы токонесущих элементом типа CORCC не имели проблем с деградацией критических свойств под действием пондеромоторных сил [5], [10].

Третья конструкция ВТСП токонесущего элемента – кабель типа Рёбель, является полностью транспонированным токонесущим элементом и обладает самыми низкими потерями на переменном токе. Однако, при изготовлении такого токонесущего элемента зигзагообразные стренды вырезаются из широкой ВТСП ленты с соотношением критических токов один к трем. Возможные способы агрегатирования кабелей типа Рёбель приведены на Рис. 6. При работе в магнитном поле наблюдалось разрушение токонесущих элементов под действием пондеромоторных сил [5], для их использования в магнитных системах необходима доработка: импрегнирования припоем, компаундами, и.т.п.

Сейчас в литературе нельзя найти работы по агрегатированию токонесущего элемента типа CORCC. Причина проста, токонесущие элементы из стопок (или твистированных стопок) ВТСП лент достаточно просто производить.

Рис. 6. Предлагаемые методики агрегатирования кабеля типа Рёбель [6].

 

Рис. 7. Твистированная стопка лент в кондуите, способы агрегатирования, метод уменьшения сопротивления токовых терминалов [7].

 

Несмотря на технологические сложности, производство кабелей типа Рёбель (длинные куски, десятки метров) налажено новозеландской компанией GCS (General Cable Superconductors), (см. [8] и Рис. 8), из такого токонесущего элемента уже изготавливаются обмотки трансформатора мегаваттного класса.

Что касается токонесущих элементов типа CORCС, то самый длинный на сегодня кусок имеет в длину всего 6 м (20 ВТСП лент скрученных вручную).

Образцы токонесущего элемента типа CORCС, изготавливаемые в Курчатовском институте, с самого начала изготавливались на автоматизиро-ванном устройстве [10]. В 2013 г было разработано и изготовлено устройство (сейчас идут пуско-наладочные работы), для скрутки длинных, до 100 метров (и более), кусков геликоидального токонесущего элемента типа CORCC. Принцип действия автоматизированного скручивающего устройства (см. Рис. 10) основан на перемотке формера (токонесущего элемента) между бобинами метрового диаметра, последующей обкрутке ВТСП лентами (до 16 лент одновременно) с автоматической синхронизированной  перемоткой, для поддержания задаваемого шага скрутки. Натяжение всех ВТСП лент регулируется индивидуально в автоматическом режиме.

 

Рис. 8. Катушка с кабелем типа Рёбель [8] и фото автора обзора со стенда IRL и GCS.

 

Рис. 9. Модельная обмотка и образец токонесущего элемента типа CORCC для испытания в 20 Тл [9].

 

Рис. 10. Короткий (75 см) образец геликоидального токонесущего элемента, его намотка и

схематическое изображение устройства для изготовления токонесущих элементов длиной до 100 м.

 

Подводя итог имеющимся на сегодня представ-лениям о магнитной системе DEMO, можно сказать следующее:

- вероятнее всего она будет выполнена из ВТСП проводников 2-го поколения, со свойствами, в несколько раз лучше существующих;

- в зависимости от назначения обмотки токамака будут выполнены из разных сильноточных токо-несущих элементов, с учетом режима работы, магнитного поля, рабочего тока, требований по механической прочности;

- по всей видимости, будут применяться транспо-нированные или твистированные токонесущие элементы, с различным шагом скрутки. Например, тороидальные катушки могут быть изготовлены из агрегатированных твистированных стеков ВТСП лент в оболочке, а центральный соленоид – из множества геликоидальных токонесущих элементов типа CORCC.

 

1. Reinhard Heller, Jean Luc Duchateau (CEA), HTS4Fusion Conductor – Workshop, May 26th – 27th, Karlsruhe, Germany

2. J. L. Duchateau, P. Hertout, and J. Johner, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 17, No 2, JUNE 2007

3. J.L. Duchateau, P. Hertout, Journal of Physics: Conference Series 97, 012038 (2008)

4. Romain Champailler, Nagato Yanagi, Gourab Bansal, Hitoshi Tamura, Toshiyuki Mito, Shinsaku Imagawa, and Jean-Luc Duchateau, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 20, No. 3, JUNE 2010

5. C. Barth, D. van der Laan, M. Takayasu, K.-P. Weiss and W. Goldacker Applied Superconductivity Conf. (ASC 2012), Portland, Oreg., October 7-12, 2012

6. W. Goldacker, S.I.Schlachter, R.Heller, A. Kudymov, A. Drechsler, S. Terzieva, CCA 2009 Barcelona

7. Makoto Takayasu, Luisa Chiesa, Leslie Bromberg and Joseph V Minervini, Supercond. Sci. Technol., 25 014011 (2012)

8. Neil D. Glasson, Mike P. Staines, Zhenan Jiang, and Nathan S. Allpress, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 23, No 3, JUNE 2013

9. информация доступна он-лайн http://advancedconductor.com/news/ 

10. M. S. Novikov, V. E. Keilin, and S. I. Novikov, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 23, No. 3, JUNE 2013

12. “Feasibility Studies on Large-Current Capacity HTS Conductors for Fusion Magnets”, Gourab Bansal http://jairo.nii.ac.jp/0201/00000537 

13. Д.П. Иванов, Б.Н. Колбасов, С.А. Лелехов, И.О. Анашкин, П.П. Хвостенко, П.Д. Вэн, А. Нисимура, Ё.К. O, В.Дж. Пан, С. Прадхан, Ю.Т. Сон, А.Н. Шарма, ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, вып. 1, 2012

 

М.С. Новиков

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.