Сильноточные транспонированные ВТСП токонесущие элементы: разработки IRL и Karlsruhe
2008, Tом 5, выпуск 6
Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения
Новозеландская компания Industrial Research Limited (IRL) уже несколько лет активно занимается разработками различных ВТСП устройств, о чем уже рассказывалось в одном из предыдущих номеров нашего бюллетеня (т. 5, № 2). Несколько месяцев назад Королевское научное общество Новой Зеландии присудило медаль Купера компании IRL за работы по разработке технологии производства ВТСП транспонированных токонесущих элементов типа Roebel (рис. 1) с низким уровнем потерь на переменном токе. Медаль Купера вручается Королевским Научным Обществом Новой Зеландии раз в 2 года за лучшее изобретение в области физики и инженерии. Предпочтение отдается проектам, которые могут принести прямые выгоды экономике страны.
ВТСП токонесущий элемент типа Roebel был изготовлен путем разрезания стандартного ленточного ВТСП проводника 2-го поколения шириной 40 мм производства компании American Superconductor (AMSC) на 10 отдельных зигзагообразных полосок шириной по 2 мм, которые затем изолировались и свивались в одной плоскости. Перед разрезанием на исходный ВТСП проводник (с одной стороны или с обоих сторон) наносилось медное стабилизирующее покрытие толщиной от 25 до 50 мкм. Использование максимально широкого исходного ВТСП проводника позволило минимизировать неизбежные потери дорогостоящего материала.
Рис. 1. ВТСП транспонированный токонесущий элемент и его отдельные полоски.
Высокая стоимость ВТСП материалов 2-го поколения требовала использования методов резки, которые были бы промышленно доступными и гарантировали бы стабильно высокое качество конечного продукта. Лазерная резка была отвергнута, так как она не позволяла получать ВТСП полоски с достаточной скоростью без ухудшения критических свойств проводника. Специалисты компании IRL считают механическую резку ВТСП проводников 2-го поколения наиболее подходящей для использования в промышленных масштабах.
Измерения потерь на переменном токе с частотой 60 Гц при температуре 77 К для различных образцов ВТСП транспонированных токонесущих элементов показали двукратное снижение потерь на переменном токе по сравнению с параллельно соединенными ВТСП лентами 2-го поколения шириной 4 мм. Критический ток изготовленных компанией IRL ВТСП токонесущих элементов зависит от качества ВТСП полосок и достигает 400 А. Сравнительно низкий критический ток обусловлен двумя причинами: неравномерностью критических свойств по ширине исходного проводника производства AMSC – по краям ВТСП ленты критический ток обычно заметно ниже, чем в центре, а также особенностями техноло-гии резки – ширина ВТСП полоски на зигзаге сокращается с 2 мм до 1,8 мм. В будущем компания IRL планирует изменить технологию резки таким образом, чтобы ширина ВТСП полосок была постоянной.
Специалисты компании IRL провели расчет методом конечных элементов механических напряжений ВТСП токонесущих элементов в процессе каблирования и эксплуатации. Показано, что механические напряжения в проводнике можно уменьшить как за счет увеличения шага скрутки, так и путем увеличения ширины полоски. Механические напряжения в транспонированном токонесущем элементе также сильно зависят от ширины области перекрытия полосок.
Присуждение компании IRL медали Купера еще раз подтвердило, что транспонированные ВТСП токонесущие элементы найдут широкое применение в электродвигателях, генераторах, трансформаторах и других ВСТП устройствах, благодаря значительному снижению уровня потерь на переменном токе. Компания IRL уже заключила контракт с Siemens о поставке транспонированных токонесущих элементов для прототипа ВТСП генератора.
Рис. 2. Сравнение потерь на переменном токе в транспо-нированном токонесущем элементе IRL и в параллельно соединенных ВТСП лентах.
В немецком научном центре Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) из ВСТП лент 2-го поколения производства компании SuperPower был изготовлен модельный транспонированный токонесущий элемент типа Roebel длиной 1,1 м c критическим током в 2,63 кА, что на сегодня является мировым рекордом для данного типа ВТСП проводников. Измерения критического тока проводились в собственном поле при температуре 77 К по критерию 5 мкВ/см. Предыдущий рекорд критического тока для транспонированных ВТСП токонесущих элементов также принадлежит FZK: в 2006 году был изготовлен и успешно испытан токонесущий элемент с критическим током 1,02 кА. Короткий образец ВТСП транспонированного токонесущего элемента длиной 1,1 м с 6 узлами скрутки позволяет изучить перераспределение токов между жилами, стабильность к различным возмущениям, и является прекрасным модельным образцом для отработки технологии создания будущих длинномерных ВТСП транспонированных токонесущих элементов.
Для изготовления токонесущего элемента использовалась лента со стабилизирующим медным покрытием шириной 12 мм и критическим током в 299 А/см, что в 2 раза выше, чем у лент из которых был изготовлен предыдущий токонесущий элемент. Пакет из трех ВТСП лент 2-го поколения совместно разрезался на зигзагообразные полоски шириной по 5 мм каждая, затем из 45 отдельных полосок был собран транспонированный токонесущий элемент.
Немецкий FZK и новозеландская IRL практикуют различные подходы к резке и каблированию. В отличие от IRL специалисты FZK считают наиболее перспективной не механическую, а лазерную резку исходной ВТСП ленты. В процессе резки по схеме FZK значительно больше дорогостоящего ВТСП материала уходит в отходы, однако один из краев исходной ВТСП ленты остается нетронутым, что уменьшает риск повреждения проводника в ходе резки. Следует иметь в виду, что выбор технологий обработки во многом определяется механическими свойствами используемых ВТСП лент, которые у проводников производства AMSC (IRL) и SuperPower (FZK) сильно отличаются друг от друга. Производство длинномерных транспонированных ВТСП токонесущих элементов в FZK планируют начать уже в 2009 г.
Рис. 3. Схема транспонированного ВТСП токонесущего элемента FZK.
Транспонированные ВТСП токонесущие элементы могут найти применение в целом ряде электротехнических устройств, таких как: трансформаторы, электродвигатели, генераторы и др., где требуются высокие рабочие токи, низкий уровень потерь на переменном токе и хорошие механические свойства. Представители FZK настроены оптимистично и заявляют, что путем увеличения числа полосок и шага скрутки скоро удастся изготовить транспони-рованный ВТСП токонесущий элемент с критическим током в 5 кА при температуре 77 К. В далекой перспективе ожидается, что критические токи транспонированных ВТСП токонесущих элементов достигнут десятков килоампер, что сделает возможным их использование в магнитных системах термоядерного реактора (например, в проекте DEMO).
- Superconductor Week, 22, n. 17, 6 (2008).
- Superconductor Week, 22, n. 17, 1 (2008).
- N.J. Long et al., Journal of Physics: Conference Series, 97, 012280 (2008).
- http://www.ivsupra.de/content/view/91/73.