Hyper Tech Research, Inc. (США) – лидер в разработке MgB2 проводов
2006, Tом 3, выпуск 6
Тематика: Зарубежные фирмы и их разработки
1275 Kinnear Road
Columbus, OH 43212
Telephone: 614-481-8050
Fax: 614-481-4080
Президент Michael Tomsic
Telephone: 614-481-8050, ext. 105
E-mail:
Партнеры Hyper Tech
· Ohio State University (OSU)
· University of Wollongong
· Florida State University
· CAPS - Center of Advanced Power Study (Florida State University, Tallahassee, Florida)
· IEMM, Inc. (Innovative Environmental Mag-nets and Materials Inc.)
· MIT (Massachusetts Institute of Technology)
Финансирующие организации и ведомства
· Department of Energy
· Department of the Navy
· Department of the Air Force
· National Aeronautics and Space Administra-tion
· National Institutes of Health
· State of Ohio
Компания Hyper Tech возникла сразу после откры-тия в 2001 г. японским ученым Akimitsu нового сверхпроводящего соединения – диборида магния MgB2 с критической температурой 39 К. Компания поставила цель – разработать и производить дибо-ридмагниевые провода с высокими характеристи-ками и низкой стоимостью. Вскоре после создания Hyper Tech разработала и запатентовала процесс непрерывного формирования и заполнения (Con-tinuous Tube Forming and Filling - CTFF) труб для создания сверхпроводящих MgB2 проводов. Про-цесс включает изготовление провода, начиная с ме-таллических лент, которые, протягиваясь через сис-тему валков специальной формы, одновременно и в непрерывном режиме наполняются порошком MgB2, формируются в виде трубы и вытягиваются до необходимой толщины (см. рис. 1). Традиционно производители заполняют трубу фиксированной длины и затем вытягивают до необходимого диа-метра, что имеет 2 недостатка: 1) труба заполняется материалом неоднородно по плотности и 2) для по-лучения провода большой длины необходимо брать трубу все большего и большего диаметра.
Рис. 1. Схема непрерывного процесса формирования металлической трубки и одновременного заполнения ее MgB2 порошком с последующим вытягиванием провода.
В течение 4-х лет через контракты с Министерст-вом обороны (DOD), НАСА, Национальным инсти-тутом здоровья (NIH), Массачусетским технологи-ческим институтом и Университетом штата Огайо компания Hyper Tech получила в сумме более 3,5 млн. долл. В настоящее время Hyper Tech работает над проектами, связанными с разработкой и произ-водством MgB2 проводов и устройств на их основе, с общим объемом финансирования 2 млн. долл.
Финансируемые проекты
• Магнит для ЯМР томографии (проект с Нацио-нальным институтом здоровья)
• Трансформатор/Индуктор (проект от ВМС США)
• Мотор/Генератор (проект от НАСА)
• Статор (проект от НАСА)
• Рефрижератор на принципе адиабатического раз-магничивания (проект от НАСА)
• Применения в области физики высоких энергий (проект от Министерства энергетики)
• Будущие программы - токоограничитель, ондуля-тор.
Почему Hyper Tech выбрала MgB2?
Первая причина ясна – этот материал обеспечивает характеристики и надежность, сравнимые или даже превосходящие существующие магниты при более низкой стоимости. Если сравнивать с постоянными магнитами, то мы имеем два потенциальных пре-имущества MgB2:
· возможность достижения типичных маг-нитных полей более 0,4 T (до 1,5-2,0 T) при более низких капитальных затратах на обо-рудование и с более низкой стоимостью эксплуатации;
· возможность достижения более высоких магнитных полей и большего размера зоны однородности магнитного поля.
В сравнении с НТСП магнитами стоимость экс-плуатации MgB2 катушек также более низкая из-за более высокой рабочей температурой (20 - 30 K) и связанной с этим стоимостью системы охлаждения.
Кроме того, MgB2 провода могут быть изготовлены как круглого, так и прямоугольного сечения, и имеют небольшой вес. Затраты на их изготовление значительно более низкие в сравнении с ВТСП лен-тами (как BSCCO, так и YBCO тонкопленочными проводниками).
Потенциальные применения – трансформаторы, индукторы, моторы, генераторы, токоограничители, ЯМР системы.
Hyper Tech имеет заводские помещения площадью 8600 кв. футов, на которых размещено оборудова-ние для производства MgB2 проводов различного диаметра и длины: оборудование для производства порошка, машины для процесса непрерывного формирования провода из MgB2 лент, оборудования для вытягивания, прокатки и обжима (штамповки), печи для отжига и термообработки.
Продукция Hyper Tech
Hyper Tech производит моножильные и много-жильные MgB2 провода в CuNi оболочке длиной от 1 до 4 км и диаметром 0,7 – 0,9 мм с 7 или 18 жила-ми. Плотность критического тока Jc = 175000 A/cм2 (20 K, 2T). Для увеличения критического тока в магнитном поле MgB2 провода легируют карбидом кремния (SiC), вводя добавки в исходный порошок. В легированных проводах Jc достигает 20000 A/cм2 при 10 T и 4.2 K.
Рис. 1. Поперечное сечение многожильных MgB2 проводов различных типов.
Для оценки качества проводов Hyper Tech изгото-вила соленоиды, генерирующие 2,4 T (при 20 K), 1,8 T (при 25 K) и 0,9 T (при 30 K). Эти соленоиды удовлетворяют требованиям для многих примене-ний. Генерируемые в них магнитные поля более высокие, чем в существующих открытых ЯМР сис-темах на постоянных магнитах (~ 0,35 T). Компания изготавливает соленоидальные и рейстрековые ка-тушки, освоив две технологии - “намотка-реакция” (“wind and react”) и “реакция-намотка” (“react and wind”). В августе 2006 года методом «реакция-намотка» была изготовлена испытательная соле-ноидальная катушка диаметром 52 см с высоким полем и током, предназначенная для ЯМР аппара-туры (рис. 2). Конечная цель – 0.5 – 1.5 T магнит и 0.5-3.0 T магнит для коммерческих ЯМР систем открытого и закрытого типа, соответственно.
Некоторые результаты Hyper Tech
по контрактам
Магниты для ЯМР томографии (контракт с NIH - Национальным институтом здоровья)
Компания изготовила испытательную катушку (482 витка) для ЯМР томографии:
· диаметр отверстия 52 см;
· высота катушки 3,8 см;
· многожильный (18 жил) провод MgB2/Nb/Cu/CuNi длиной 823 м;
· инженерная плотность тока, Je = 22 кА/cм2 при 20 K;
· магнитное поле Bcoil = 0,12 Т при 20 K.
Рис. 2. Испытательная катушка для ЯМР томографии.
Трансформатор и индуктор (контракт с ВМС США – US Navy)
По контракту с ВМС США Hyper Tech разрабаты-вает трансформатор и индуктор для питания кора-бельного двигателя (см. рис. 3).
Рис. 3. Конструкция 12,4 кВА трансформатора (II фаза контракта с Navy).
На втором этапе разработки должны быть разрабо-таны MgB2 провода с низкими потерями на пере-менном токе и демонстрационная катушка для 12,4 кВА трансформатора, а на третьем этапе – 3-х фаз-ный 3-5МВА трансформатор.
Катушки для моторов и генераторов
(контракт с NASA)
По контракту с NASA Hyper Tech разрабатывает демонстрационный генератор. Проект называется «Разработка MgB2 сверхпроводящих катушек для авиационных электромоторов и генераторов». На втором этапе проекта будет изготовлен ротор пол-ностью из MgB2. Конечная цель – 4-х полярный ро-тор из 2 км провода для вставки в 2 МВт генератор.
Другой проект, выполняемый Hyper Tech по кон-тракту с NASA, называется «Диборидмагниевый сверхпроводящий статор для систем электродвиже-ния» (см. рис. 4).
Рис. 4. Сегмент статорной катушки, намотанной из се-мижильного MgB2 провода (J = 310 000 A/cм2 at 20 K)
Магниты для ускорителей (контракт с Министер-ства энергетики США – DoE)
По гранту, полученному от Министерства энерге-тики США, Hyper Tech разрабатывает MgB2 магни-ты для применений в ускорителях. Цель разработки – увеличить критический ток в полях 3-5 Т, увели-чить число жил в проводе, увеличить соотношение сверхпроводник/нормальный металл, улучшить стабильность.
Рис. 5. Двухметровый кабель, скрученный из 9 проводов (шаг скрутки 5 см).
Результаты испытаний кабеля (рис. 5), проведенных в Instituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN, Ита-лия), представлены на рис. 6.
Рис. 6. Зависимость критического тока от магнитного поля при температурах 4,2 К, 9,8 К, 15 К, 20 К и 25 К в MgB2 кабеле, оптимизированном для применений в уст-ройствах для физики высоких энергий.
В устройствах физики высоких энергий амбиции Hyper Tech не ограничиваются ускорителями, а тя-нутся и к термоядерному реактору. В надежде встроиться в ITER Hyper Tech продемонстрировала характеристики своих проводов в температурных условиях этого реактора.
Ограничители токов
Hyper Tech разработала и изготовила MgB2 много-жильный провод специально для ограничителей тока. Провод был успешно испытан сотрудниками Cambridge Univ. и компании Rolls Royce plc (Вели-кобритания) при токе в импульсе 700 А.
Планы на будущее
Hyper Tech планирует включиться в разработку он-дулятотов для источников синхротронного излуче-ния, а также магнитов для левитирующих уст-ройств.
В настоящее время Hyper Tech достигла производи-тельности до 250 км проводов в год и планирует увеличить ее к 2007 году до 500 - 800 км/год (при длине в куске 10-20 км), к 2008 году – до 3000 – 5000 км/год (при длине куска – 30-60 км), к 2009 году - 10000 - 15000 км/год.
По материалам
[1][2]
- · IEEE Trans. Appl. Supercond. 16, 1445 (2006)
- сайта www.hypertechresearch.com и пре-зентации Hyper Tech на ASC2006