Разработка и создание токонесущих элементов типа Ребель в Технологическом Институте Карлсруе по состоянию на 2015 г.
2015, Tом 12, выпуск 6
Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения
На конференции EUCAS 2015 (Лион, Франция) «Премия передового опыта и профессионализма» была присуждена сотруднику немецкого Технологического Института Карлсруе (Karlsruhe Inst Technology, KIT) Вилфриду Голдакеру за его особый вклад в развитие сверхпроводимости, в частности, за разработку кабелей типа Ребель. В своей благодарственной речи [1] доктор Голдакер осветил основные успехи его научной группы в создании сильноточных ВТСП-2 токонесущих элементов. За последние 5 лет в KIT сильно продвинулись в этом направлении.
О другом крупном разработчике кабелей типа Ребель – компаний IRL (Industrial Research Ltd) из Новой Зеландии, можно прочитать в нашем предыдущем обзоре: http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/bulletein.php?menu=bull_subj&id=1191
Работы по кабелям типа Ребель в KIT являются частью большого проекта ЦЕРН EuCARD-2 «Enhanced European Coordination for Accelerator Research & Development», финансируемого Еврокомиссией [2]. Конечной целью работы является создание диполей для модернизации Большого Адронного Колайдера, а в дальнейшем для проекта Future Circular Collider, FCC. Диполи должны работать в жидком гелии при 4,2 К и создавать поле в 20 Тл, из которых 5 Тл или 15 Тл приходятся на ВТСП вставку. Проект объединил усилия 40 партнеров из 15 стран: IEE (Inst Electrical Engineering) Братислава, IFW(Inst Festkorper Werkstofforschung) Дрезден, Университет Колламбуса, Огайо США, Advanced Сonductor Technologies Co, Университет Болонии, ATI (Atominstitut) Университет Вены, наши соотечественники из Суперокс, Комиссариат ядерной энергетики Сакле (Франция), Университет г. Твент (Голландия), Университет Женевы, компания Брукер и др.
Рис.1. Диполи БАК.
Основные подходы KIT при изготовлении кабелей типа Ребель:
- эксперименты с лентами разных производителей (SuperPower, Bruker, Суперокс, Theva, Sunam);
- автоматизированная механическая резка высокой точности;
- герметизация ВСТП стрендов медью со всех сторон (для предотвращения деградации при термоциклировании);
- импрегнирование готового кабеля эпоксидной смолой в смеси с диоксидом кремния (для борьбы с пондеромоторными силами в будущих соленоидах). (Удалось победить деградацию при термоциклировании проклеенных кабелей);
- лазерное скрайбирование ВТСП слоя на тонкие жилы (для снижения потерь на переменном токе);
- огромное внимание к математическому моделированию.
Технология “Punch-and-сoat”
В KIT сделали специальную машину (Рис.2), которая позволяет зигзагообразно нарезать ВСТП ленты при подаче с катушки на катушку, что в будущем позволит получать кабели типа Ребель длиной более 100 м. Все параметры резки (шаг и геометрию зигзагов можно настраивать). Процесс наладки машины был непростым. На Рис.2 также показаны примеры возникавших вначале дефектов. После ряда усовершенствований деградацию критического тока стренда удалось снизить до 1,4% по сравнению с исходной лентой. Второе направление исследований KIT – разработка технологии «запечатывания» стренда-зигзага сплошным медным покрытием (включая торцы). Работы идут в сотрудничестве с компанией Суперокс, которая уже добилась здесь заметных успехов (их 2,4 метровый образец кабеля типа Ребель из 15/5 стрендов с гальванически выращенным слоем меди на торцах выдержал 200 термоциклов 300К/77К без какой-либо деградации критического тока – Рис.3). Сейчас KIT и Суперокс активно сотрудничают.
Рис. 2 Машина KIT для резки ВТСП лент на зигзаги-стренды, примеры дефектов в стрендах после резки ВТСП лент фирмы Bruker.
Рис. 3. Кабель типа Ребель из 15/5 стрендов, изготовленный из ВТСП ленты СуперОкс по технологии “Punch-and-сoat”, деградации при термоциклировании нет.
Свойства кабелей типа Ребель в жидком азоте
На Рис.4 приведено сравнение критических токов в жидком азоте для кабелей, собранных в KIT из ленты Superpower и Суперокс. Достигнуты хорошие результаты: кабель из 31 стренда на основе лент Суперокс может нести ток до 2,7 кА в собственном поле при 77 К, что соответствует инженерной плотности тока в 125 А/мм2. Перераспределение токов между стрендами начинается при I = 0,5 Ic. Критический ток каждого стренда различен, поскольку зависит от неоднородности магнитного поля внутри скрутки. Влияние собственного поля всего кабеля снижает ток каждого стренда на 40-60 %, по сравнению с одиночным стрендом.
Свойства при 4,2 К в магнитных полях 0-10 Тл
Кабели, собранные в Германии (KIT) и новозеландскими компаниями IRL и GCS (General Сable Superconductors), были испытаны на установке FRESCA в ЦЕРНе. Оба кабеля имели ширину 12 мм. Кабель KIT толщиной 0,59 мм состоит из 10 стрендов, кабель GCS выполнен из 15 стрендов, его толщина - 0,85 мм. Шаг транспонирования кабеля KIT-126 мм, а GCS - 300 мм. Результаты измерений показаны на Рис.5. При температуре 4,2 К в собственном поле достигнут ток 14 кА (1,1 кА при 77 К, s.f.). Несмотря на меньшее количество стрендов в кабеле KIT, его токонесущая способность не уступает кабелю GCS.
Рис. 4. Результаты сравнительных испытаний кабелей типа Ребель из лент SuperPower и Суперокс при 77 К.
Теоретически, увеличивая шаг транспонирования кабеля (Lp) и увеличивая число стрендов в стопке, можно получать кабели со сверхвысокими токами: при Lp=0,4 м /31 критический ток кабеля может достичь более 40 кА (4,2 К, s.f.); при Lp=1,8 м /100 ток может быть больше 80 кА (4,2 К и 13,5 Тл), что соответствует рабочим условиям в будущем токамаке DEMO.
Рис.5. Полевые зависимости критического тока для кабелей типа Ребель при 4,2 К: Кабель А произведен новозеландской компанией GCS, а кабель С собран в Карлсруе [3].
Соленоиды и галеты из кабелей типа Ребель
Отдельное направление экспериментов KIT – поиск оптимальных способов создания обмоток из кабелей типа Ребель. При слоевом и галетном способе намотки присутствует сильное влияние величины магнитного поля и его направления на критический ток ВТСП ленты. При слоевой намотке наиболее слабое место находится на торцах соленоида, а при галетной - во внутренних витках между слоями.
В работе [4] исследованы модельные галеты из пятиметровых отрезком кабеля типа Ребель, плотность намотки витков изменялась при помощи прокладок.
Рис.6. Галеты из кабеля типа Рёбель 10/5,5 с различным расстоянием между витками, зависимость магнитного поля от зазора, зависимость потерь на переменном токе от транспортного тока.
Из 50 м ВТСП ленты производства Superpower шириной 12 мм (подложка 100 мкм + 40 мкм слой Сu, IС = 348 А, 77К, s.f.) нарезали 5,5 мм зигзаги. Затем стренды разрезали на куски длиной 5 м и собирали кабели 10/5,5, из которых были намотаны пять галет в положении «ВТСП слоем наружу» с различным зазором между витками: от 20 мм до 0,1 мм. Результаты измерений в жидком азоте приведены на Рис.6.
Если кабель намотан туго, несмотря на наименьший критический ток, обмотка генерирует наибольшее магнитное поле. С другой стороны, плотность намотки очень сильно влияет на потери на переменном токе в галете. Потери в обмотке всегда выше, чем в отдельном токонесущем элементе. Только в случае рыхлой галеты (20 мм между витками) они растут незначительно, а для плотной катушки, потери могут возрасти почти в пятьдесят раз.
Интересно, что если оперировать не критическим током, а магнитным полем в центре обмотки, то зависимости потерь от магнитного поля в центре для обмоток с различными зазорами между витками наложатся друг на друга. Другими словами, чтобы намотать галету с заданным значением центрального поля и заданным уровнем потерь на переменном токе, нужно просто подобрать расстояние между витками.
Механические свойства и пропитка
В обмотках с высоким магнитным полем проводник подвергается сильным поперечным механическим нагрузкам. Кабели типа Ребель очень чувствительны к поперечным механическим нагрузкам. На углах зигзагов происходит излом ВТСП стрендов, при поперечных механических напряжениях в кабеле выше 70 МПа происходит необратимая деградация его критического тока[5].
В магнитных системах из низкотемпературных сверхпроводников эту проблему решают путем проклейки витков. Однако, в последние годы появились много сообщений о неудачах с импрегнированием ВТСП обмоток эпоксидной смолой: ленты расслаиваются из-за разности коэффициентов температурного расширения.
Рис. 7. Механические свойства кабелей типа Ребель, пропитанных эпоксидной смолой с добавкой оксида кремния, измерения при 4,2 К в 11 Тл.
Рис. 8. Зависимость нормированных критических токов от радиуса изгиба для кабелей типа Ребель и ВТСП лент.
Во-первых, стренды кабелей типа Ребель, поскольку имеют обрезанные края, еще более чувствительны к такому воздействию. Во-вторых, ReBCO слой может химически реагировать с компаундом. Все это вызывает необратимую деградацию. Кроме того, тепловая и электрическая изоляция проводника снижает стабильность обмотки.
Однако специалистам из KIT удалось найти особые присадки в виде оксида кремния и др., которые позволили получить импрегнированные токонесущие элементы, не деградирующие при приложении поперечного механического напряжения, Рис. 7 [6]. Благодаря проклейке и опрессовке, кабели смогли выдержать без деградации нагрузку в 150 МПа при 4,2 К и 11 Тл.
На Рис. 8 показаны результаты испытаний на изгиб в жидком азоте изготовленных в KIT кабелей типа Ребель. Образец кабеля из ВТСП лент SuperPower показал хорошие результаты (как и у одиночной ленты) при минимальном радиусе изгиба 10 мм. Кабель из ВТСП лент Bruker оказался несколько хуже (Rдоп< 20 мм).
Лазерное скрайбирование
Метод разбивания сплошного ВТСП слоя на узкие полоски (скрайбирование), с одной стороны, снижает критический ток каждого стренда, с другой стороны, позволяет радикально снизить потери на переменном токе, см. Рис. 9, 10.
Рис. 9. Потери на переменном токе в кабелях типа Ребель со скрайбированными стрендами.
Рис. 10. Падение критического тока при скрайбировании.
Сильноточный токонесущий элемент на
основе Ребеля
Для перспективного термоядерного реактора DEMO потребуются проводники с рабочими токами более 20 кА в магнитном поле 12-15 Тл. Для решения этой задачи в KIT разрабатываются сильноточные токонесущие элементы, в которых в качестве стрендов будут использованы не отдельные ВСТП ленты, а кабели типа Ребель[7].
Первый вариант такого токонесущего элемента, выполненного в виде кабеля Резерфордовского типа, оказался неудачным. Возник целый ряд проблем с пайкой и деградацией критического тока при изломе ВТСП лент на острых гранях формера.
Рис.11. Сильноточный токонесущий элемент со стрендами из кабелей типа Ребель, критический ток 2,5 кА (77 К, s.f.)
На Рис. 11 показана новая конструкция токонесущего элемента с круглым формером, в шести спиральных канавках которого располагаются кабели Ребель из 10 стрендов, произведенные компанией GSC, Новая Зеландия. Шаг скрутки токонесущего элемента составил 0,66 м при длине образца 0,99 м.
Перераспределение токов между кабелями контролировали на каждом этапе сборки. В результате, в токонесущий элемент был успешно введен ток 2,5 кА (77 К, s.f.), что соответствовало расчетной сумме критических токов отдельных кабелей типа
Ребель.
Из приведенного обзора видно, что тема объединения ВТСП лент 2-го поколения в токонесущие элементы находится в постоянном развитии. Ей уделяется большое внимание во многих странах. Впрочем, это понятно, так как работы по термоядерному синтезу и физике высоких энергий с каждым годом предъявляет к производителям сверхпроводников все более и более жесткие требования.
1. Wilfried Goldacker , Презентация «ESAS Award of excellence 2015 my speech» Wilfried ESAS Award Plenary - EUCAS2015 - Lyon Sept. 7th-10th, 2015
2. http://eucard2.web.cern.ch/
3. Electrical characterization of RE-123 Roebel cables J. Fleiter, A. Ballarino, L. Bottura, P.Tixador, Supercond. Sci. Technol. 26 (2013) 065014 (5pp)
4. A Kario, M Vojenciak, F Grilli, A Kling, A Jung, J Brand, A Kudymow, J Willms, U Walschburger, V Zermeno, and W Goldacker, DC and AC Characterization of Pancake Coils Made From Roebel-Assembled Coated Conductor Cable, IEEE TRANS ON APPL. SUPERCOND., VOL. 25, NO. 1, FEBRUARY 2015
5. J. Fleiter et al. “Electrical characterization of REBCO Roebel cables”, Supercond. Sci. Technol. 26 (2013)
6. A. Kario, S. Otten, M. Dhallé, P. Gao, W.A.J. Wessel, A. Kling, R. Nast, U. Walschburger, N. Bagrets, S. Drotziger, W. Goldacker, Презетация Options for epoxy impregnation of REBCO Roebel cables , 2014
7. A. Kario, A. Kling, A. Jung, B. Runtsch, W. Goldacker, презентация Round Rutherford cable concept with HTS Roebel Coated Conductors strands, Institute for Technical Physics, Karlsruhe Institute of Technology, 2014