ВТСП устройства в Новой Зеландии
2015, Tом 12, выпуск 3
Тематика: Зарубежные фирмы и их разработки
Новозеландский университет имени королевы Виктории представил на прошедшем в ноябре 2014 г. в Токио международном симпозиуме по сверхпроводимости (ISS 2014) обзор основных работ соотечественников по ВТСП тематике [1]. На основании данного обзора и других литературных источников можно сделать вывод о значительном прогрессе в создании ВТСП устройств в Новой Зеландии.
Ортопедический ВТСП томограф с полем 1,5 Тл
В виду скачкообразного роста цен на жидкий гелий разработка томографов, не использующих жидкий хладагент, стала особенно актуальной. Группе ученых из Новой Зеландии впервые удалось создать небольшой томограф на основе ВТСП второго поколения с однородностью и временной стабильностью магнитного поля, достаточной для использования в клиниках [1,2]. Проект поддержан Новозеландским министерством бизнеса и инноваций.
Габариты: магнитная система состоит из ВТСП секций и железного ярма, ее наружный диаметр 50 см, длина 47 см, рабочее отверстие 24 см, индукция 4,2 Гн. Для создания томографа использовано 4,8 км YBCO ленты шириной 4,8 мм производства компании AMSC. Параметры магнитной системы оптимизированы с учетом экспериментально полученных полевых, температурных и угловых зависимостей критического тока. Рабочий ток обмоток составил 125 А при магнитном поле в центре - 1,5 Тл. Рабочая температура в 20 К достигалась путем охлаждения от криокулера через тепловые мосты. Максимальный градиент температуры в холодной массе магнита составлял менее 0,2 К.
Однородность магнитного поля в сфере диаметром 115 мм не превышает 50 ppm, что означает, что перепад между любыми двумя пиковыми значениям не более 7,5. 10-5 Тл. Однородность и стабильность магнитного поля обеспечивались системой пассивных ферромагнитных элементов и активными шиммирующими (корректирующими) катушками, а также работой в режиме постоянного подключения к высокостабильному источнику тока. Размеры области, в которой магнитное поле томографа не превышает 5 Гаусс, составляют 1,8 м в аксиальном направлении, и 1,5 м - в радиальном. В случае перехода ВТСП обмоток в нормальное состояние предусмотрен сброс запасенной энергии на резистор сопротивлением 2 Ом.
Рис. 1. Схема расположения обмоток ВТСП томографа
Рис.2. Ортопедический ВТСП томограф с полем 1,5 Тл.
Основная сложность при создании МРТ магнитных систем на основе ВТСП-2 состоит в высочайших требованиях к однородности и стабильности магнитного поля. В отличие от ниобий-титановых проводов, жилы которых скручены, сверхпроводящий слой в ВТСП-2 проводниках – сплошной, и при вводе тока в нем наводятся экранирующие токи. Хотя экранирующие токи и не влияют на величину транспортного тока, распределение плотности тока по сечению ВТСП ленты неоднородно, что приводит к изменению вклада каждого витка в суммарное поле и, соответственно, к искажению МРТ изображения. Факты множественных искажений магнитного поля в ВТСП-2 соленоидах многократно наблюдали различные экспериментаторы. Кроме того, из-за экранирующих токов происходит медленный дрейф магнитного поля со временем.
Временная стабильность магнитного поля также зависит от постоянства намагниченности железного ярма, поэтому авторы предусмотрели в конструкции нагреватели, поддерживающие температуру ярма постоянной в пределах 0,1◦С.
В качестве пассивного шиммирования используется размещенная в «теплом» отверстии магнита цилиндрическая кассетница диаметром 92 мм, в карманы (23 по оси, 16 по окружности) которой вставляются железные элементы. Размеры и местоположение элементов рассчитаны в программном пакете MathLab на основании изменений топографии магнитного поля до и после шиммирования. Всего потребовались две последовательные итерации.
Основная проблема пассивного шиммирования ВТСП-2 соленоидов в том, что в соленоид с полем вставлять ферромагнитные элементы небезопасно. После выведения и повторного ввода тока, из-за перераспределения экранирующих токов и остаточной намагниченности, топография магнитного поля меняется, и расчетная схема шиммирования уже не работает. Разработчикам пришлось добавить несколько активных шиммирующих катушек, позволяющих подстраивать поле в реальном времени на последнем шаге корректировки.
Также особенностью конструкции ВТСП томографа является отсутствие дополнительного экрана между главным соленоидом и градиентными катушками. Обычно, в НТСП томографах градиентные катушки отделены медными экранами от основного соленоида. Это необходимо для устранения индуктивной связи и подавления вихревых токов в холодной массе магнита и в экранновакуумной изоляции криостата. Отказ от дополнительного экрана дает ВТСП томографу следующие преимущества: сокращается внутренний радиус ВСТП обмоток и расход ленты, резко сокращается энергопотребление градиентных катушек, упрощается конструкция, уменьшается тепловая нагрузка на криогенную систему.
В 2013 г. томограф прошел все приемочные испытания. С его помощью получены множественные изображения хорошей четкости. По мнению авторов, главным результатом работы является то, что удалось достичь высокой однородности и стабильности магнитного поля, несмотря на проблему экранирующих токов в ВТСП-2 проводниках.
ВТСП насос потока для питания ЯМР
соленоидов
Несмотря на высокие требования к временной стабильности магнитного поля ВТСП ЯМР спектрометров, их работа в режиме замороженного потока невозможна, так как пока не разработана технология изготовления надежных сверхпроводящих спаев ВТСП лент.
Сейчас практически все создаваемые ВТСП соленоиды для ЯМР спектрометров работают с постоянным подключением к высокостабильному источнику тока. Такие источники тока дороги, требуют водяного охлаждения и занимают много места. Кроме того, львиная доля тепловой нагрузки на криокулер генерируется токовводами. Решением может стать индукционный способ возбуждения тока в ВТСП соленоидах. В связи с этим еще одним направлением работ новозеландских ученых стало создание механических насосов потока, как альтернативы обычным токовводам, на которые приходится от 30 до 50 % общего теплопритока к первой ступени криокулера.
Рис. 3. ВТСП ЯМР соленоид с индукцией 2 Тл и механический насос потока
К настоящему моменту схема накачки магнитного потока прошла экспериментальную проверку на ВТСП ЯМР соленоиде с железным ярмом и индукцией 2 Тл. ВТСП соленоид изготовлен компанией HTS-110 [3] из Bi-2223 проводника, рабочий ток соленоида - 130 А, индуктивность - 0,4 Гн.
Статор насоса потока состоит из параллельно соединенных ВТСП лент шириной 12 мм. Ротор представляет собой три алюминиевых кольца с закрепленными на них 12 постоянными магнитами NdFeB. Зазор между постоянными магнитами и ВТСП лентами около 1 мм. ВТСП соленоид (рабочая температура 32 К) и насос потока (рабочая температура 70-80 К) размещены в вакууме на опорах с минимальным теплопритоком и охлаждаются от криокулера. При вводе тока в соленоид скорость вращения ротора составляет 360 об/мин, для поддержания тока в магните ротор вращается со скоростью 60 об/мин. Постоянные магниты проходят над ВТСП лентами, индуцируя в них напряжение, пропорциональное скорости вращения ротора. Необходимой величины тока в соленоиде можно добиться, подстраивая скорость вращения ротора с помощью обратной связи.
Результаты экспериментов 2013 г. показаны на Рис. 3. Была достигнута временная стабильность магнитного поля в 18 ppm. Весь процесс ввода тока в соленоид занял 2 часа, что дольше, чем при использовании источника тока, но приемлемо для ЯМР установок.
ВТСП токонесущие элементы типа Ребель
Для крупных ВТСП устройств не достаточно токонесущей способности одной, пусть даже самой передовой ВТСП ленты. Разработка сильноточных ВТСП токонесущих элементов стало сегодня одной из самых актуальных задач. Простая сборка нескольких ВТСП лент в пачку имеет два серьезных недостатка: неравномерное распределение тока по параллельным проводникам и высокий уровень потерь на переменном токе. Использование токонесущих элементов типа Ребель позволяет устранить сразу обе проблемы. Однако, новым слабым местом становится резкая деградация критического тока при поперечных механических нагрузках.
Первые работы по созданию токонесущих элементов типа Ребель в Новой Зеландии были начаты в 2004 г. компанией Industrial Research Ltd, а первые коммерческие образцы были изготовлены компанией General Cable Conductors. Поставщиками ВТСП лент являются AMSC, SuperPower, а с 2013 г, – Fujikura и Superconductor Technologies Inc.
Ниша потенциального применения таких токонесущих элементов весьма обширна: ВТСП генераторы и трансформаторы (например, 1 MВА трансформатор Robinson Research Institute), а также высокополевые соленоиды.
Компания General Cable Conductors изготавливает токонесущие элементы типа Ребель различной геометрии (см. Рис. 4) [1,4]. Уже привычной стала маркировка «число жил/ширина жилы в мм», например 15/5 или 10/2. Продемонстрирована возможность изготовления токонесущих элементов с критическим током до 1,5 кА в собственном поле при температуре 77 К и до 14 кА при 4,2 К (Рис.5). Сейчас потребителям предоставляются куски токонесущего элемента длиной порядка 25 м, недостаточной для широкого применения. Следует отметить, что основной вклад в цену токонесущего элемента вносит стоимость ВТСП ленты, а не технология производства.
Рис. 4. Вырубной станок (вверху), сборка жил в токонесущий элемент, планетарная каблирующая машина
(внизу).
На Рис. 4 показаны: жилы-зигзаги, которые вырезаются из ВСТП лент разной ширины, вырубной станок, планетарная каблирующая машина и процесс сборки жил в токонесущий элемент. Особое внимание уделяется контролю качества жил с помощью магнитного сканирования – измерения профиля проникновения магнитного поля по сечению вдоль всей длины жилы. Также проводится микроскопия обрезанных краев. В среднем критическая плотность тока в жиле составляет 90-95% от критической плотности тока исходной ленты. Для последующей сборки жил в кабель чрезвычайно важно выдерживать точность шага зигзагов. Обрезанные края ВТСП лент очень чувствительны к влажности, поэтому применяется сушка в потоке газообразного азота.
Рис. 5. Полевые зависимости критического тока для
токонесущих элементов типа Ребель при 4,2K
В таблице на Рис. 6. показаны расчетные и измеренные критические токи токонесущих элементов различной геометрии. При температуре 77 К очень заметно влияние собственного магнитного поля. В расчетах невозможно точно учесть повреждения сверхпроводящего слоя при резке, интересно, что иногда критический ток токонесущего элемента оказывался выше расчетного. Возможное объяснение: присутствующий в исходной ВТСП ленте дефект не попадает в вырезанную жилу, и критическая плотность тока в жиле без дефекта оказывается выше, чем в исходной ленте.
Рис. 6. Критические токи токонесущих элементов типа Ребель при 77K.
С точки зрения устойчивости к механическим напряжениям при растяжении, слабыми местами являются углы зигзагообразных жил. Для примера, предельные продольные механические напряжения для ВТСП ленты производства SuperPower шириной 12 мм составляет около 700 МПа, тогда как для вырезанной из нее зигзагообразной жилы шириной 5 мм – только 146 МПа. Со стойкостью к поперечным механическим напряжениям дела обстоят еще хуже: токонесущий элемент 15/5 смог выдержать 45 МПа, а токонесущий элемент с изолированными жилами 10/2, лишь10 МПа.
Механические свойства токонесущих элементов типа Ребель предлагается улучшить путем обертывания волокном номекс и/или введением в конструкцию дополнительных жил из нержавеющей стали. Производители не рекомендуют плотную оплетку поверх токонесущего элемента, так как жилы должны иметь возможность двигаться при намотке катушки. Проклейка токонесущего элемента, например эпоксидным клеем STYCAST, также приводит к непоправимой деградации критического тока. Однако, необходимо отметить, что специалисты Karlsruhe Instute Technology (Германия) используя эпоксидные компаунды с высоким содержанием наполнителя Araldite смогли добиться проклейки токонесущих элементов типа Ребель без деградации критических свойств.
Отдельное направление исследований посвящено потерям в токонесущих элементах на переменном токе [5]. Измерения проводились на двух образцах токонесущих элементов длиной 1,8 м: токнесущий элемент 15/5 (из ВТСП ленты SuperPower марки SCS12050 шириной 12 мм c медным покрытием толщиной 20 мкм) и токонесущий элемент 15/4 (из ВТСП ленты Fujikura марки FYSCS10 шириной 10 мм).
Результаты измерений сравнивались с данными по потерям для токонесущих элементов с жилами шириной 2 мм. Экспериментальные результаты, полученные при различных частотах, показаны на Рис. 7. Все точки лежат между двумя теоретическими кривыми, полученными согласно формуле Норриса и в эллиптической модели (стандартные формулы для расчета потерь в стопках бесконечных ВТСП проводников прямоугольного сечения).
Из-за сложного механизма перетекания токов между жилами величину критического тока можно определить лишь приблизительно. Для токонесущих элементов 15/5 (SuperPower) и 15/4 (Fujikurа) критические токи составили соответственно 1210 А и 1820 А с погрешностью измерений ±50 А. Полный ток токонесущих элементов составлял 65-67% от суммы токов отдельных жил (из-за влияния собственного магнитного поля).
Рис. 7. Удельные потери в кабелях различной геометрии (вверх), метод нагрузочной кривой для определения критического тока кабеля (внизу).
Основные результаты исследований потерь на переменном токе в токонесущих элементах типа Ребель:
- Транспортные потери на переменном токе не зависят от частоты изменения тока (т.е. имеют чисто гистерезисную природу);
- Удельные потери не зависят от числа жил;
- Все токонесущие элементы с одинаковым отношением g/w имеют одинаковую величину удельных потерь, нормированную на квадрат транспортного тока (w - ширина жилы, g - горизонтальный зазор между соседними жилами);
- Критический ток токонесущего элемента можно рассчитать с точностью ~10 % при помощи нагрузочной кривой;
- На основании нагрузочной кривой и геометрических коэффициентов [5], можно с неплохой точностью оценить потери в токонесущем элементе.
Трехфазный трансформатор мощностью 1 МВА на основе ВТСП-2 токонесущего элемента типа Ребель
Наиболее перспективным применением токонесущих элементов типа Ребель могут стать низковольтные обмотки ВТСП трансформаторов. Над трехфазным ВТСП трансформатором мощностью 1 МВА работает сразу несколько Новозеландских компаний: подготовка проекта - Исследовательский институт Робинсона, изготовление криостата - Fabrum Solutions, намотка обмоток - HTS-110, создание системы криогенного обеспечения - Absolut System, а также сетевая компания - Vector & North Power и производитель высоковольтного электрооборудования - ETEL & Wilson Transformer.
ВТСП трансформаторы обладают целым рядом преимуществ по сравнении с традиционными, они не только компактнее и легче, отличаются пожаробезопасностью и экологичностью, но и способны ограничивать ток короткого замыкания. Однако, при намотке низковольтных обмоток из большого числа параллельных ВСТП проводников стоимость системы криогенного обеспечения сильно возрастает из-за значительных потерь на переменном токе. Главной целью разработчиков проекта стала демонстрация того, что использование токонесущих элементов типа Ребель позволит решить проблему потерь на переменном токе в ВТСП трансформаторах.
К началу 2015 г. уже были изготовлены и прошли приемочные испытания отдельные компоненты макетного образца ВТСП трансформатора. Первичные обмотки трансформатора рассчитаны на напряжение 11 кВ, а вторичные обмотки на - 415 В. Рабочая температура трансформатора составляет 70 К. Охлаждение производится переохлажденым азотом с использованием двух криокулеров хладопроизводительностью по 500 Вт. Низковольтные обмотки — однослойные, выполнены из 20 витков (19,6 м) 15/5 ВТСП токонесущего элемента типа Ребель (действующее значение рабочего тока 1390 А). Высоковольтные обмотки трансформатора выполнены в виде 24 двойных галет, намотанных из ВТСП ленты SuperPower в каптоновой изоляции шириной 4 мм. Всего в высоковольтных обмотках по 918 витков (расход проводника 980 м, действующее значение тока 30 А). Ориентировочная стоимость коммерческого образца ВТСП трансформатора составит около 40 тыс. долларов.
ВТСП обмотки фаз трансформатора будут размещены в стеклопластиковых криостатах. Криостат каждой фазы имеет эксцентрично расположенный теплый канал для магнитопровода. Стенки криостатов рассчитаны на избыточное давление в 3 бар. В качестве теплоизоляции служит засыпка вакуумной полости стеклокерамическими гранулами. Однако, авторам не удалось добиться хорошей вакуумной плотности стеклопластиковых криостатов, во время испытаний вакуумный объем приходилось постоянно откачивать.
Рис. 8. Схема трехфазного ВТСП трансформатора мощностью 1 МВА.
Рис. 9. Трехфазный ВТСП трансформатор мощностью 1 МВА, его обмотки и диаграмма теплового баланса.
Во время измерения потерь на переменном токе обмотка из токонесущего элемента типа Ребель была закорочена, ток в ней возбуждался при помощи дополнительной медной обмотки, погруженной в тот же криостат. Магнитопровод для удобства эксперимента отсутствовал. Обнаружено, что при рабочем токе в 1390 А (действующее значение) мощность тепловыделений, обусловленных гистерезисными потерями в ВТСП обмотке, составила 130 Вт (для трех фаз - 390 Вт), при токе в 695 А величина потерь снижается до 8,5 Вт.
Полная тепловая нагрузка на систему криогенного обеспечения составила около 1 кВт (см. Рис. 9.) Использование токонесущего элемента типа Ребель вместо одиночных проводников позволило снизить потери на переменном токе до уровня, сравнимого с суммой теплопритоков по криостатам и тепловыделений в спаях. КПД трансформатора оказался равен 99,95%, т.е. практически таким же, как у несверхпроводниковых устройств. Однако, для честного сопоставления необходимо учесть затраты на криогенное обеспечение. Известно, что при охлаждении с помощью криокулера до температуры 70-80 К на отвод 1 Вт тепла из холодной зоны необходимо потратить около 30 Вт. Таким образом, итоговый КПД трансформатора снижается до 97%. Электротехнические стандарты требуют эффективности не менее 99,27% при работе на половинной мощности. Чтобы удовлетворить этому требованию, суммарное тепловыделение в криостате не должно превышать 120 Вт.
Авторы предполагают, что с масштабированием устройства до мощности 40 МВА его эффективность значительно увеличится. Главный успех работы - это демонстрация того, что благодаря токонесущим элементам типа Ребель, потери на переменном токе больше не являются непреодолимым препятствием для создания ВТСП трансформаторов.
Автоматизированный стенд для измерения
критических токов во внешнем магнитном поле до 8 Тл
Ни одна последняя конференция по прикладной сверхпроводимости не обходиться без жалоб на недостаточность информации о критических свойствах ВТСП-2 лент в промежуточном интервале температур и при различных ориентациях магнитного поля. Специалисты из компаний HTS-110 и Callaghan Innovation решили, что спасение утопающих – дело рук самих утопающих, и изготовили крайне удобный настольный прибор, позволяющий автоматически измерять критические токи коротких образцов ВТСП лент в различных магнитных полях и при различных температурах.
Установка оснащена ВТСП магнитной системой с индукцией 8 Тл и рабочим током 200 А, охлаждаемым от криокулера до температуры ниже 20 К. Магнитная система представляет собой сплит-диполь из Bi-2223 ленты с горизонтально направленным магнитным полем и «теплым» рабочим каналом прямоугольного сечения 3´8 см. Для снижения теплопритоков используются ВСТП токовводы. Время ввода тока до достижения максимального магнитного поля составляет 9 минут.
Исследуемый образец длиной 1-4 см охлаждается от второго криокулера путем конвекции теплообменного газа. Образец может поворачиваться под любым углом и запитываться током до 800 А. Рабочая температура образца (30-90 К) контролируется компьютером, ее колебания при/после ввода тока не превышают 0,5 К.
Рис. 10. Автоматизированный стенд для измерения критических токов во внешнем поле до 8 Тл.
С помощью стенда проведены множественные измерения критических токов ВТСП-2 лент. Показана опасность простой экстраполяции критических токов, измеренных при 77 К, на температуру в 30 К, одинаковые по критическому току при 77 К образцы имеют принципиально разный вид угловых и полевых зависимостей критического тока.
1. S C Wimbush Large scale applications of HTS in New Zeland, IEEE/CSC & ESAS SUPERCONDUCTIVITY NEWS FORUM (global edition), January 2015. Invited Presentation SA-22-INV given at ISS 2014, Tokyo, November 25 - 27, 2014.
2. Slade et al., Test results for a 1.5 T MRI system utilizing a cryogen-free YBCO magnet, IEEE Transactions Applied Superconductivity.24. 4400705 (2014).
3. Rowan M. Walsh, Robert Slade, Donald Pooke, and Christian Hoffmann, Characterization of Current Stability in an HTS NMR System Energized by an HTS Flux Pump Trans. on IEEE Transactions Applied Superconductivity 24. 4600805 (2014).
4. Nick Long Roebel cable industrial optimization - General Cable Superconductors Robinson Research Institute, Victoria University of Wellington, New Zealand, WAMHTS-1, February 2014
5. Zhenan Jiang, Mike Staines, Nicholas J Long, Rodney A Badcock, Chris Bumby, Evgeny Talantsev, Kent Hamilton, Robert G Buckley and Naoyuki Amemiya. The scaling of transport AC losses in Roebel cables with varying strand parameters. Supercond. Sci. Technol. 27, 075007 (2014).
6. Neil D. Glasson, Mike P. Staines, Zhenan Jiang, and Nathan S. Allpress Verification Testing for a 1 MVA 3-Phase Demonstration Transformer Using 2G-HTS Roebel Cable, IEEE Transactions Applied Superconductivity 23, 5500206 ( 2013).
7. N M Strickland, C Hoffmann, S C Wimbush, D M Pooke, T Huang, Z Lazic, V Chamritski, E F Talantsev, N J Long and J L Tallon. Cryogen-free 1kA-class Ic measurement system featuring an 8 T HTS magnet. 11th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS2013) Journal of Physics: Conference Series 507, 022037 (2014).