Стенды для испытания сильноточных сверхпроводников
2014, Tом 11, выпуск 4
Тематика: Измерительные методики
При создании крупных сверхпроводниковых магнитных систем, в том числе и для установок, предназначенных для исследований в области физики плазмы, всегда досконально исследовались все компоненты проводника: стренды, из которых изготавливается проводник; стабилизирующие материалы (матрица); силовая структура; трубки для циркуляции хладагента и электроизоляционные материалы.
Рис. 1. Классификация стендов для испытания сильноточных СП проводников.
Заключительным этапом, верифицирующим пригодность проводника для изготовления магнитной системы, являются полномасштабные испытания собственно проводника. При таких испытаниях в той или иной мере имитируются реальные условия работы проводника, как в штатных, так и в не штатных режимах работы конкретной магнитной системы. Для этого изготавливаются специальные стенды, стоимость которых иногда достигает 25 % от стоимости самой магнитной системы.
По своим функциональным возможностям уже созданные и разрабатываемые стенды для испытания сильноточных СП проводников можно разделить на две категории (Рис. 1). К первой категории можно отнести стенды, предназначенные для испытания большого количества проводников по примерно одинаковой программе. Такие стенды включают в себя магнитную систему основного поля, внутрь которой помещаются извлекаемые вставки (insert), представляющие собой либо отрезок прямого относительно короткого проводника, либо однослойный соленоид, намотанный из исследуемого проводника. Такая конструкция стенда, как правило, сложнее и дороже, но позволяет испытать различные образцы проводника на одном и том же стенде. Кроме того, испытания коротких прямых образцов не всегда дают верные результаты. В том случае, когда нет необходимости испытывать несколько различных образцов, а требуется провести верификацию одной конструкции, обычно используют стенды второй категории. В таких стендах, предназначенных для исследования одного, единственного проводника, используется магнитная система, намотанная из этого же проводника, которая подвергается разносторонним исследованиям. И в первом и во втором случае используются различные дополнительные инструменты (импульсные магнитные катушки с различной ориентацией поля, нагреватели и пр.) для имитации рабочих и нештатных ситуаций, которые могут иметь место в рабочих условиях. Ниже будут рассмотрены стенды, относящиеся к обеим категориям.
Стенды СССР и РФ для исследования сильноточных сверхпроводников токамаков.
История создания сверхпроводников для установок типа токамак (закрытых магнитных ловушек) для исследований в области термоядерного синтеза начинается с первого в мире токамака со сверхпроводящими (на основе Nb-Ti) обмотками тороидального поля – Т-7 [1]. Технические, технологические, научные и финансовые возможности начала 70х годов прошлого века в СССР не позволяли рассматривать различные варианты конструкции проводника. Поэтому, для испытаний единственного кандидата были созданы три стенда категории-2 (в используемой здесь класификации), т.е. наматывались магнитные системы из исследуемого проводника, на которых имитировались режимы работы сверхпроводящей магнитной системы в установке. На одном – критические параметры проводника – Ic(B;T) (Рис. 1) [2], на другом – исследовалась устойчивость проводника к срыву тока плазмы (Рис 2). В заключение на третьем стенде были проведены технические испытания 1/8 (восьмушек) магнитной систем тороидального поля Т-7 [3].
Рис. 2. Стенд для испытания экспериментальных
полномасштабных катушек СП обмотки тороидального поля (ТП) Т-7
Рис. 3. Модельные катушки и импульсные катушки стенда,
предназначенные для изучения влияния срыва тока плазмы
на устойчивость СП катушек ТП Т-7
Для испытаний различных конструкций проводников (уже на основе Nb3Sn) для магнитной системы тороидального поля (ТП) установки Т-15 был создан стенд категории – 1, позволяющий одновременно исследовать как критические параметры проводников – Ic(B;T), так и их устойчивость к срывам тока плазмы [4]. Образцы изготавливались в виде модельных катушек (Рис. 3).
Всего было испытано 6 модельных катушек разного диаметра, изготовленных из разных конструкций проводника (разное количество СП стрендов в проводнике и разная технология изготовления).
Получены интересные результаты, которые позволили выбрать конструкцию проводника для сверхпроводящих обмоток тороидального поля (СОТП) Т-15 [4]. Также экспериментально было подтверждено влияние взаимной ориентации векторов импульсного магнитного поля (ИМП) и транспортного тока в проводнике на его устойчивость к ИМП.
СССР занимал лидирующие позиции в области создания установок для изучения физики плазмы со сверхпроводящими обмотками. В те времена было изготовлено много стендов для исследования проводников и модельных катушек Т-7 и Т-15. В РФ за последнее двадцатилетие ничего создано не было (ни установок, ни, естественно, стендов), кроме стенда для исследования проводника Индийского токамака SST-1 (Рис. 4)[5].
Рис. 4. Схематическое изображение стенда для испытаний проводника индийского токамака SST-1.
Для всех катушек магнитной системы этого токамака использовался один и тот же проводник, поэтому было найдено оригинальное решение стенда, которое позволяло смоделировать условия работы и провести исследования для всех подсистем ЭМС SST-1.
Последним (1985 г.), из созданных СССР стендов, был большой стенд – Стенд для Испытаний Магнитных Систем (СИМС) (Рис. 5) [6].
Рис. 5. Стенд СИМС – подготовка к испытаниям катушек СОТП,
криорезистивных обмоток и элементов вакуумной камеры.
Этот уникальный стенд имеет только три аналога в мире. Все они - стенды для испытания катушек по международной программе LCT в Германии (Karlsrue), США (Oаk Ridge) и Японии (JAERI). СИМС предназначались для испытаний крупных магнитных систем, а при дооснащении его собственной магнитной системой (как это было сделано в Японии) могли быть использованы для испытаний образцов сильноточных проводников в виде однослойных соленоидов-вставок. На СИМСе была выполнена только одна, но важная работа – проведены технические испытания всех 1/12 частей сверхпроводящих обмоток тороидального поля (СОТП) токамака Т-15 (Рис. 6) [7].
Рис. 6. 1/12 СОТП Т-15 на монтажном столе криостата стенда СИМС.
На сегодняшний день по назначению (испытание сильноточных СП проводников и крупных магнитных систем) используется только дооснащённый собственной магнитной системой стенд CSMS в Японии. Остальные не используются вообще. Стенд СИМС находился в стадии разрушающей консервации с 1991 г. Системы криогенного обеспечения, электропитания, вакуумной откачки, сбора и обработки данных стенда СИМС морально и физически устарели. В рабочем состоянии остались только само здание, криостат и вакуумная камера. СИМС используется сейчас менее, чем на 5% своих потенциальных возможностей в качестве стенда для вакуумных и гидравлических испытаний проводников ТП РФ ИТЭР при комнатной температуре (Рис. 7). Реконструкция стенда, приведение в состояние, удовлетворяющее современным требованиям, повлечёт за собой большие капитальные затраты. По оценкам автора эти затраты будут составлять не менее 0 млн., включая оснащение стенда крупной магнитной системой с внутренним диаметром Di≥1.5 м и максимальным полем на обмотке B≥13 Тл.
Рис. 7а. Вакуумная камера и испытанные,
готовые к отправке проводники ТП РФ ИТЭР.
Рис. 7б. Проводник ТП РФ ИТЭР в вакуумной камере перед испытанием.
Существующие стенды для испытания сильноточных СП проводников
На сегодняшний день в мире имеются три установки для испытаний сильноточных сверхпроводников (Рис. 8 а,б). Стенд SULTAN – Supra LeiterTestANlage) в швейцарском Центре исследований физики плазмы (Centre Recherche Physique Plasmas, CRPP) эксплуатируется с конца 1990х годов [8]. Там же находится стенд EDIPO - (European DIPOle), который сейчас проходит заключительные испытания и будет полностью введён в строй в конце 2014 года [9]. В Японском институте атомной энергии (Japan Atomic Energy Research Institute JAERI=JADA) в качестве стенда с начала 2000х годов [10] эксплуатируется Central Solenoid Model Coil, CSMC.
Рис. 8а. Стенды EDIPO и SULTAN, CRPP, Швейцария.
Рис. 8б. Стенд CSMC (МКЦС) – модельная катушка центрального соленоида,
JADA (JAERI), Япония
SULTAN и EDIPO предназначены для испытания прямых коротких образцов проводника, тогда как, на стенде CSMC испытываются вставки в виде однослойного соленоида, намотанного из исследуемого проводника.
Рис. 9. Фото установки султан (1) и схематические изображения основной магнитной системы (2),
образца (3) и катушек, создающих переменное магнитное поле (4) на образце – ΔB=±0.2-0.3 Tл
(В= ΔB×Sinωt).
Уникальный стенд SULTAN [8] позволяет испытывать большие, принудительно охлаждаемые (циркуляционные) высокоточные сверхпроводники, разработанные для электромагнитной системы ИТЭР и других установок для изучения физики плазмы. Все проводники для ИТЭР, для стелларатора Wendelstein 7X (Германия), токамака EAST (Китай), международного проекта токамака JT60 SA (Европа и Япония) были квалифицированы или испытаны на стенде SULTAN.
В 2013 г. основная магнитная система стенда EDIPO была успешно введена в эксплуатацию [9]. Основная магнитная система стенда EDIPO запитывается через пару 18 кА ВТСП токовых вводов.
Стенды EDIPO и SULTAN можно использовать также для испытаний сильноточных ВТСП проводников в интервале температур от 20 до 50 К. На сегодняшний день стенд SULTAN является самым крупным в мире действующим стендом для испытания коротких прямых образцов высокоточных, циркуляционных СП проводников (Рис. 9) . Он обладает следующими техническими характеристиками и возможностями:
Постоянное собственное поле основного сплит магнита диаметром 600 мм - 11 Тл
Постоянный ток для питания образцов - до ± 100 kA
Охлаждение потоком сверхкритического гелия при давлении - Р=10 bar, температуре - Т≥4.5 K и массовом расходе - до 10 g/s
Внешнее наложенное переменное (АС) магнитное поле с амплитудой - до ± 0.4 T, в интервале частот - от 0.01 до 6 Hz
Внешнее наложенное импульсное магнитное поле - с амплитудой до 3 Тл, пол синусоиды, период - до 140 ms.
Рис. 10а. Образцы Nb3Sn проводников ТП (катушек тороидального поля)
и ЦС (центрального соленоида) [10].
Рис. 10б. Nb-Ti образцы проводника катушек ПП
(полоидального поля).
Образцы для испытаний на стенде SULTAN (Рис. 10а, б). Образцы Nb3Sn проводников для катушек ТП (тороидального поля) и ЦС ИТЭР (центрального соленоида) изготавливаются из двух отрезков проводника, соединённых по току в нижней (холодной) части паяным контактом. Nb-Ti образцы проводника для катушек ПП [11] (полоидального поля) изготавливаются из одного куска проводника, в нижней части кабель, освобождённый от оболочки, изгибается и помещается в специальный герметичный бокс.
Испытания образцов на стенде СУЛТАН.
• Образцы для стенда SULTAN имеют длину 3,6 м, из которых в области сильного поля находится только ~500 мм (это немного больше, чем длина последнего шага скрутки кабеля 450 мм).
• Образцы оснащены потенциальными концами и датчиками температуры.
• Измерения проводились двумя методиками:
a) При фиксированных температуре (Т) и магнитном поле (В) увеличивался ток (I) до перехода образца в нормальное состояние (Ic).
b) При фиксированных токе (I) и поле (В) увеличивалась температура (Т) до достижения величины электрического поля на образце - до 0.1 мкВ/см (Tcs). Этот параметр – Tcs был выбран в качестве оценочного критерия работоспособности проводников.
Основная магнитная система стенда EDIPO представляет собой диполь, изготовленный из двух катушек типа «рейстрек» с отогнутыми головными частями (Рис. 11). Максимальное магнитное поле магнита + собственное поле образца - ~ 13 Тл, длина рабочей зоны (однородного максимального магнитного поля) ~1100 мм.
В EDIPO, так же как и в SULTAN, ток в образцах до 100 кА обеспечивается NbTi трансформатором, работающим при температуре 4.5 K. Область температур вставки для испытаний образцов на основе ВТСП материалов лежит в пределах 4.5 K - 50 K. Ограничение теплового потока между NbTi трансформатором и исследуемым ВТСП проводником до разумно малых величин обеспечивается ВТСП адаптером, похожим на модуль ВТСП токовых вводов. Промежуточные температуры гелия в интервале от 20 К до 50 К для испытаний ВТСП образцов должны реализовываться без перегрузки криогенного оборудования. Это будет обеспечиваться при помощи теплообменника, работающего на встречных потоках (4.5 K He от криогенного оборудования и тёплым гелием, покидающим ВТСП образцы). Температура гелия в образце регулируется нагревателем.
Рис. 11. Основная магнитная система стенда EDIPO.
Рис. 12. Схематическое изображение прямого ВТСП образца в стенде EDIPO.
Рис. 13. Однородность распределения основного магнитного поля для стендов SULTAN & EDIPO
Сравнительные характеристики стендов SULTAN & EDIPO.
Проведённые испытания показали, что основной магнит EDIPO обеспечивает создание магнитного поля 12,35 Тл в рабочей зоне при токе 17,21 кА. Это хорошо совпадает с результатами предварительных расчётов (12,4 Тл). При 17.2 kA, однородность поля ± 1% обеспечивается в зоне длиной L≈ 900 мм (по сравнению с 425 мм в основном магните SULTAN). Однородность поля составляет ± 0.5% на длине 680мм (при В=12,3 Tл) и 580 мм (при В=6 Tл) (Рис. 13).
Трансформатор EDIPO был испытан и введен в эксплуатацию в июле 2013 г (Рис. 14). Калибровка величины тока в зависимости от сопротивления шунта была, как и планировалась, проведена на токах до 10 кА.
Рис. 14. Стенд EDIPO: трансформатор и основной магнит
Рис. 15. Результаты сравнительных испытаний образца NbTi кабеля TRASEK на стендах SULTAN vs. EDIPO.
Сравнительные испытания SULTAN vs. EDIPO с использованием образца TRASEK, который был уже предварительно испытан на стенде SULTAN, были лимитированы ограниченной рабочей областью Tcs (Ic). Результаты сравнительных испытаний образца TRASEK на стендах SULTAN и EDIPO представлены на Рис. 15. Они продемонстрировали хорошее совпадение Tcs & Ic в исследуемом диапазоне рабочих температур и критических токов. Однако, говорить о том, что длина рабочей зоны не влияет на результаты исследований, пока преждевременно. Длина рабочей зоны может существенно повлиять на удельную (мДж/см3) величину потерь на переменном токе. Основные характеристики обоих стендов для сравнения представлены в Таблице 1.
Ожидается, что EDIPO станет доступен для пользователей весной 2014 г (только испытания НТСП проводников). К этому времени ожидается также завершение изготовления ВТСП адаптера и теплообменника. ВТСП токовые вводы на 50 кА для испытываемых образцов будут изготовлены в третьем квартале 2014 г. Испытания сильноточных ВТСП образцов на стенде, оснащённом адаптером, теплообменником и 50 кА токовыми вводами начнутся в конце 2024 г.
Вплоть до конца 2013 г. работы по изготовлению стенда частично финансировались EFDA (рабочая программа WP13-DAS-01-Magnets). К сожалению, в списке работ активностей Euro Fusion не заложено фондов для финансирования работ по модернизации стендов EDIPO/SULTAN и разработке сильноточных ВТСП проводников.
Таблица 1. Сравнительные характеристики стендов SULTAN и EDIPO
Стенд CSMC (JADA, Япония)
Первоначально то, что мы сейчас называем стендом, замышлялось как Модельная Катушка Центрального Соленоида (МКЦС). Эта магнитная система, состоящая из наружной Nb-Ti и внутренней Nb3Sn секций (собственно модель ЦС), была разработана и построена 1993-1999 г.г. в рамках проекта ИТЭР совместно Японией и США. Она предназначалась для испытаний, в представительных размерах, модели катушки ЦС ИТЭР. После первых, не очень удачных испытаний, было решено использовать эту СП магнитную систему, как основной магнит, в который помещались вставки в виде однослойных соленоидов, изготовленных из проводников, разработанных для катушек ЦС, ТП и ПП магнитной системы ИТЭР. Длина исследуемых проводников во вставках - 40–50 м. Основные параметры этой магнитной системы (Рис. 8б) следующие: Максимальная индукция магнитного поля на обмотке - В=13 Тл, рабочий ток - I=46 кА, запасённая энергия - E=640 MДж, холодная масса - W=180 тонн [12].
Рис. 16. РФ ТП вставка, 2001 г.
Рис. 17. Дополнительная JP ЦС вставка, 2015 г.
В этой магнитной системе были испытаны вставки из различных проводников ИТЭР: ЦС&TП - Nb 3Sn, Япония 2000 г. [12]; ТП - Nb3Sn, Россия 2001 г. (Рис. 16) [13]; ЦС - Nb3Al, Япония 2002 г; ПП – NbTi, Россия 2008 г [14]. Изготовление образца и проведение самих испытаний на этом стенде стоят очень дорого (~ млн. за одну кампанию). Поэтому, при массовых проверочных испытаниях проводников различных поставщиков и назначения, разумнее было использовать стенд SULTAN. Однако, сейчас идёт подготовка к испытаниям ещё одной вставки из проводника ЦС Японии (Рис. 17). Начало испытаний намечено на 2015 г. Эти испытания организуются за счёт Японии и по их требованию. Дело в том, что японцы не считают испытания своих образцов проводника ЦС на стенде SULTAN представительными и объясняют неудовлетворительные результаты несовершенством этого стенда.
Нужен ли новый стенд РФ для исследования проводников для термоядерных установок следующего поколения?
Для ответа на этот вопрос нужно понять, будет ли и когда будет принято решение о создании термоядерной установки следующего поколения со сверхпроводящей магнитной системой. В предположении, что положительное решение по этому вопросу принято, ответ вроде бы – ДА!, т.к. хорошо иметь свою установку. «Что хочу, то и творю. Что считаю нужным, то и рассказываю». Характеристики такого стенда понятны:
Рабочий ток в исследуемом проводнике - ~100 kA
Поле на образце - В≥13 Тл
Длина рабочей зоны - не менее 2-3 полных шагов твиста (лучше 10)
Возможность исследования проводников на основе ВТСП
Однако, исходя из стоимости и реальных сроков, необходимых для создания того или иного стенда, ответ на вопрос о необходимости создания собственного стенда не столь очевиден. В Таблице 2 приведены оценки стоимости различных стендов, сделанные автором.
Таблица 2. Стоимостные характеристики различных стендов (оценка автора).
Очевидно, что стоимость реконструкции стенда СИМС, изготовление образцов и проведение на нём испытаний обойдутся очень дорого. Под реконструкцией понимается создание стенда, аналогичного стенду CSMC. Следует также понимать, что на реконструкцию стенда уйдёт от трёх до пяти лет.
Создание стенда типа EDIPO потребует существенно меньших затрат, но такой стенд уже есть. Коллеги из CRPP предлагают проводить испытания у них. Такое разделение труда позволит организовать испытания образцов проводников (в том числе и ВТСП) уже в 2015 г. Образцы можно и нужно изготавливать самим, оснастив при этом их дополнительными инструментами и диагностикой.
Выводы.
Учитывая всё изложенное выше и затраты как финансовые, так и временные, которые будут неизбежны при создании собственного стенда для испытаний сильноточных ВТСП и НТСП проводников можно сделать следующие выводы:
1. В мире уже существуют стенды для проведения испытаний сильноточных ВТСП и НТСП проводников. Причём, НТСП проводники можно испытывать как в виде однослойных катушек вставок, так и в виде прямых коротких образцов.
2. Пока разница в данных, полученных в результате испытаний вставок в виде прямых коротких образцов и в виде однослойных соленоидов, не подтверждена.
3. В любом случае надо начинать с испытания вставок в виде коротких прямых образцов проводника. Организовывать дорогие испытания в виде однослойных соленоидов нужно только в случае, когда разница в результатах этих испытаний может считаться доказанной.
4. Существующие зарубежные стенды не загружены. Легко можно договориться о проведении испытаний в сроки, удобные для заказчика, и за относительно небольшие затраты.
5. Создание собственных стендов не представляется необходимым и разумным с финансовой, временной и технической точек зрения.
6. Лучше потратить выделяемые средства на разработку сильноточных НТСП и ВТСП проводников, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к проводникам магнитных систем термоядерных установок следующего поколения.
1. Д.П. Иванов и др., 1975, Всесоюзное совещание по инженерным проблемам управляемого термоядерного синтеза (Ленинград, 26-28 июня 1974г.): Доклады совещания – Л., НИИЭФА, т. 1, стр. 184.
2. Keilin V.E. et al, 1972, Cryogenics, vol. 12, №4, p. 292.
3. В.Е. Кейлин, 1977, Конференция по техническому использованию сверхпроводимости (Крым, Алушта, 16-19 Сентября 1975г.); Труды конференции – Москва, Атомиздат, т.2, стр. 46.
4. Anashkin I.O. et al, 1984, “Investigation of Tokamak – 15 SSCE model coils” Atomic Energy, vol. 57, № 6, pages 401-404
5. O.P. Anashkin. et al, 2002, “Results of the Model Coil Tests for the Cable-in-Conduit Conductor for SST-1 Tokamak”, IEEE Transaction of Applied Superconductivity, v.12, n.1, p. 567-570.
6. Alikaev V.V., et al, 1988, “The T-15 results testing of systems and parts”, 15th SOFT, Urtrecht, Netherlands, pp.123-127.
7. Anashkin I.O., et al, 1989, “Tasks and results of T-15 operating SWTF tests”, Atomic Energy, vol. 67,№ 3, page 167-172.
8. Bruzzone P et al, 2002, “Upgrade of operating range for SULTAN test facility”, IEEE Trans. Appl. Supercond. 12 520–3.
9. Bruzzone P et al 2014 Commissioning of the main coil of the EDIPO test facility IEEE Appl. Supercond. 24 9500205.
10. Bruzzone P et al, 2012 Test results of ITER conductors in the SULTAN facility Proc. 24th IAEA Fusion Energy Conf., IAEA CN-197: p 536
11. B. Stepanov et al., 2012, ”Test Result of Three Poloidal Field Superconducting Samples in SULTAN,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 22, no 3, 4803504.
12. N. Martovetsky et al., 2002 “Tests of the ITER Central Solenoid Model Coil and CS Insert,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 12, no 2, pp. 600-605.
13. N. Martovetsky et al., 2003 “Tests of the ITER TF Insert and Central Solenoid Model Coil,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 13, no 2, pp. 1461-1446.
14. D. Bessette et al., 2009 “Test Results from the PF Conductor Insert Coil and Implications for the ITER System,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 19, no 3, pp 1525-1531.