Сильноточные токонесущие элементы из ВТСП лент 2-го поколения и их перспективы
2012, Tом 9, выпуск 3
Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения, ВТСП устройства
Современные проводники на основе ВТСП 2-го поколения представляют собой ленты со слоем сверхпроводящей REBCO керамики толщиной 1-3 микрон, нанесенной (через буферные слои) на подложку (хастеллой, сталь, текстурированные сплавы Ni) толщиной 50-100 микрон. Ленты покрыты защитным 1-2 микронным слоем серебра и, как правило, стабилизирующими материалами, например, медью или бронзой толщиной десятки микрон. Ширина лент – от 4 до 12 мм, причем в устройствах, где важна величина потерь, обычно применяются ленты шириной 4-5 мм. Критическая плотность тока в слое REBCO в собственном поле составляет 2,5-3 МА/см2 при 77К. Однако, из-за малой толщины ВТСП слоя в длинномерных лентах шириной 4-5 мм, при тех же условиях, пока не удается достигнуть токов выше, чем 100-220 А.
Существенным преимуществом ВТСП являются относительно высокие рабочие температуры. ВТСП устройства могут работать в переохлажденном жидком азоте при температурах от 65 до 77 К, что делает их потенциально применимыми во многих областях: энергетика, транспорт, научное приборостроение. Но самым интересным является температурный интервал 20-50 К (с охлаждением жидким водородом, газообразным гелием, контактным охлаждением и т.п.). Критические поля и плотности токов ВТСП в этом диапазоне все еще очень велики. Однако в этом температурном интервале стабильность проводов существенно выше, чем при температуре жидкого гелия, благодаря более высоким значениям теплоемкости и хорошей теплопроводности [1]. Для этого интервала температур на работу устройств также существенно меньше влияют потери энергии в проводнике. Кроме того, для небольших и мобильных устройств большое значение имеет более высокая надежность, компактность, а также меньшая стоимость системы охлаждения при 20-50 К, чем при 4,2 К.
В настоящее время ВТСП ленты 2-го поколения применяются в обмотках, изготовленных из единичных лент, например, в высокополевых вставках в магниты из НТСП (для получения полей порядка 25 Тл). Все типы возможных сильноточных устройств на основе ВТСП сейчас находятся в стадии модельных образцов, прототипов или проектов.
ВТСП устройства и условия работы токонесущего элемента (ТНЭ)
Высокие рабочие токи понадобятся для различных ВТСП устройств, однако для каждого из них будут свои условия работы ТНЭ.
Для сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии (СПИН) [2], [3] нужен высокий рабочий ток и низкая индуктивность для обеспечения большой скорость ввода/вывода энергии при приемлемом уровне напряжения на преобразователе. Японским специалистам потребовалось использовать нестандартные подходы, чтобы сделать накопитель гигаджоульного класса из ТНЭ, состоящего всего из 3 параллельных ВТСП лент шириной 10 мм [3]. Для различных применений рабочие температуры СПИН могут составлять от 4.2 К до 65-77 К; поля на обмотках от 1 Тл до 20-25 Тл; а токи достигать килоампер или даже десятков килоампер при больших скоростях нарастания/снижения тока в режиме ввода/вывода энергии.
Для ВТСП трансформаторов в интервале рабочих температур 77-65 К номинальные токи достигают килоампер при 50-60 Гц в полях на обмотке 0,2-0,3 Тл.
ВТСП генераторы электроэнергии могут быть двух типов – с относительно высокими полями (несколько тесла) без железа в статоре и в роторе (рабочие температуры 20-50 К) и с низкими полями на обмотке 0,2-0,3 Тл: железный статор или ротор (рабочие температуры 65-77 К). Пока рабочие токи находятся (в проектах) на уровне сотен ампер с перспективой увеличения на порядок.
ВТСП токоограничители в электрической сети будут работать при токах (как переменных, так и постоянных) в диапазоне от сотен ампер до нескольких килоампер и при температурах 77-65 К. Для ТНЭ могут применяться широкие (12 мм) ленты без стабилизатора или с очень тонким слоем стабилизатора (менее 5 мкм меди).
ВТСП линии электропередачи как постоянного, так и переменного тока должны нести токи от сотен ампер и, в перспективе, до десятков килоампер при температурах 77-65 К.
Перспективны гибкие ВТСП силовые кабели малого диаметра и веса для применения на кораблях и самолетах [2], [4]. При различных температурах, например, при 55 К в условиях проточного охлаждения газообразным гелием такие кабели могут нести ток в несколько килоампер.
ВТСП двигатели мощностью от нескольких мегаватт, например, корабельные – перспективны из-за более высокой удельной мощности на единицу веса и объема. Двигатели, как и генераторы, можно разделить на два типа: с высоким магнитным полем (статор и ротор без железа, рабочая температура 20-50 К) и с низким магнитным полем (железный статор или ротор, рабочие температуры 65-77 К)
Магнитные системы ускорителей частиц в настоящее время работают при температурах 1,8 К на базе низкотемпературных сверхпроводников (НТСП). Планируется использование ВТСП обмоток для получения полей 10-20 Тл при 4,2 К с током 10 кА и плотностью тока 400 А/мм2.
Магнитные системы токамаков [1] рассматриваются как достаточно далекая перспектива (не менее 20 лет). Видимо, потребуются токи до сотен кА в полях до 25 Тл. В этом случае понадобится дальнейшее увеличение токонесущей способности ТНЭ. Рабочие температуры, по-видимому, будут в интервале 20-50 К.
Токовводы и токоподводы - наиболее близкое и реальное практическое применение ВТСП ТНЭ, рабочие температуры могут лежать в диапазоне от гелиевых до азотных, а длины - не превышать нескольких метров
Напоследок, рассмотрим почти фантастические проекты – межпланетные космические корабли с ядерными и термоядерными силовыми установками. Первые корабли с ядерными реакторами мощностью от 1 МВт и плазменными двигателями могут быть построены в ближайшие 10-20 лет. Можно перечислить те устройства, где в космосе трудно обойтись без сверхпроводников: - плазменные двигатели, генераторы, силовые кабели, трансформаторы, индуктивные накопители энергии, средства магнитной защиты экипажа и электроники от заряженных частиц. Преимущество ВТСП перед НТСП в космосе – гораздо более высокая рабочая температура, например, 20 К, высокая стабильность, компактная криогеника, цена же ВТСП ленты на общем космическом фоне вряд ли будет иметь значение.
Способы изготовления сильноточных ТНЭ
В настоящее время существует ряд способов создания сильноточных ТНЭ из ВТСП лент, находящихся, в основном, в пилотной стадии.
Токонесущий элемент в виде скрученной стопки лент
Рис. 1. Сильноточный ВТСП токонесущий элемент – скрученная стопка лент [5].
- ТНЭ (рис. 1) получают из сложенных в стопку лент с последующим скручиванием и затягиванием в оболочку, можно сначала затянуть стопку лент в оболочку, а потом произвести скрутку. Преимущества такой технологии изготовления ТНЭ - в высокой плотности тока при малом расходе ленты и достаточно простой технологии. Однако, такой ТНЭ не удобен для намотки катушек. Кроме того существуют принципиально неустранимые высокие кооперативные потери. К недостаткам ТНЭ также следует отнести большой шаг скрутки (более 100 мм), что усложняет конструкцию спаев. При работе в малых полях и азотной температуре такой ТНЭ малоприменим, т.к. у него большое, перпендикулярное ленте собственное поле. Перспективным его применение может быть в крупных магнитных системах с постоянным полем, ток в ТНЭ может быть в 10-50 раз выше, чем в одиночных ВТСП лентах.
Токонесущие элементы типа Рёбель
Рис.2. Сильноточный ВТСП токонесущий элемент – типа Рёбель [6], схема формирования сборки.
Рис. 3. ТНЭ типа Рёбель [7]: ВТСП полоски надрезаны (вверху), ВТСП полоски изолированы (внизу).
- ТНЭ типа Рёбель (рис. 2, 3) [6], [7] складывается из зигзагообразных полосок, вырезаемых из ВТСП лент. Преимущества этого ТНЭ - низкие потери и плоская форма. Недостатки – большой расход дорогой ленты, сложная технология, наличие пустот, что приводит к механической нестабильности в полях. Перспективным будет применение ТНЭ типа Рёбель в магнитах, трансформаторах, токоограничителях, генераторах и двигателях со сравнительно небольшими полями при работе на переменном токе или в импульсном режиме. ТНЭ типа Рёбель позволяет увеличить ток в 5-20 раз по сравнению с током исходной ВТСП ленты. Для снижения потерь в ТНЭ отдельные полоски изолируют друг от друга, либо надрезают продольно (см. рис.3), а также используют немагнитные подложки для исходного ВТСП материала.
Обмотка некоторых магнитных систем [3] и катушек для резистивных токоограничителей [8], [9] наматывается несколькими параллельными ВТСП лентами (если не важна величина потерь). Кроме того, параллельная намотка обеспечивает лучшие условия охлаждения [3], [8]. Возможны намотки одной ленты на другую, возможно сочетание обмоток обоих типов [9]. В зависимости от числа лент ток увеличивается в 2-10 раз по сравнению с током одиночной ВТСП ленты.
Гибкий транспонированный ТНЭ малого
диаметра
Для изготовления гибкого транспонированного ТНЭ малого диаметра (CORCC - Conductor on Round Core Cables) несколько параллельных лент спирально наматываются на гибкий формер (может иметь различную конструкцию и диаметр 4-7 мм), причем направление намотки ВТСП слоев чередуется.
В 2009 г. Danko van der Laan начал разработку концепции этого вида ТНЭ из YBCO лент [10], в дальнейшем в 2011 г. наиболее перспективными ВТСП лентами из-за их лучшей механической стабильности были признаны ленты из GdBCO [11]. Данный вид ТНЭ является, по-видимому, самым универсальным на сегодняшний день. В различных вариантах конструкции он может работать, как на постоянном, так и на переменном токе, как в собственном или малом поле, так и в высоких полях, как в оболочке, так и с проточным охлаждением (на полом формере). К достоинствам CORCC можно отнести простую технологию изготовления, малый шаг (20-40 мм) скрутки, круглую форму, гибкость, изотропную полевую зависимость токонесущей способности. Плотность тока CORCC сравнима с плотностью тока для ТНЭ в виде скрученной стопки лент, так как стопка находится в оболочке. Отношение длины одиночной ленты к длине CORCC составляет 1,15-1,4, что много меньше, чем у ТНЭ типа Рёбель, хотя и больше, чем у ТНЭ в виде скрученной стопки. По потерям на переменном токе CORCC также занимает промежуточное положение между ТНЭ типа Рёбель и скрученными стопками. Рабочий ток CORCC может в 80 и более раз превышать ток одиночной ВТСП ленты. Сейчас рекордные образцы сделаны из 40 лент [12] с внешним диаметром ТНЭ 7,5 мм и из 79 лент [2], [4] с внешним диаметром ТНЭ 10 мм. Вполне возможно и большее количество ВТСП слоев. Плотность тока в обмотке из CORCC составляет порядка 100 А/мм2 , как в жидком азоте в собственном поле, так и в гелии в поле 20 Тл.
К недостаткам CORCC можно отнести то, что для его изготовления пока пригодны ВТСП ленты с хорошими механическими характеристиками.
Рис. 4. Гибкие транспонированные ВТСП токонесущие элементы типа CORCC, изготовленные во ВНИИКП (а) и в НИЦ “Курчатовский институт”(б)
На Рис. 4 изображены гибкие транспонированные ТНЭ, изготовленные во ВНИИКП [13] и НИЦ “Курчатовский институт” [14]. ТНЭ, созданный во ВНИИКП, имеет диаметр 11 мм и состоит из 12 ВТСП лент на основе GdBCO, намотанных в два слоя. Его токонесущая способность в жидком азоте составляет 1505 А, а конструктивная плотность тока 15,8 А/мм2. В НИЦ «Курчатовский институт» для создания CORCC было использовано 16 ВТСП лент типа SCS4050 AP производства SuperPower на основе GdBCO, которые наматывались в 4 слоя на формер диаметром 7 мм, состоящий из 3000 нержавеющих проволок диаметром 0,1 мм. Внешний диаметр ТНЭ - 8 мм, его токонесущая способность в жидком азоте - 1600А, а конструктивная плотность тока - 32 А/мм2. Также в НИЦ “Курчатовский институт” был изготовлен образец ТНЭ диаметром 7 мм из 8 лент (производства корейской фирмы SuNAM) с током 1700 А при 77 К и с конструктивной плотностью тока в 45 А/мм2 [14]. Наиболее вероятные применения этого ТНЭ – гибкие токоподводы и прототип СПИН мегаджоульного класса (рис. 4 и 5б).
Рис. 5 а) Модельная обмотка из ТНЭ типа CORCC [12]
б) Один из образцов CORCC в разрезе [11].
Компания Advanced Conductor Technologies LLC, которую основал van der Laan, разрабатывает в настоящее время СПИН 1МДж класса для применений в военной авиации, по-видимому, в том числе, для питания боевых лазеров. При испытании в поле 20 Тл ТНЭ из 40 одиночных ВТСП лент диаметром 7,5 мм в гелии достигнут ток 4100 А, а из 20-ленточного ТНЭ была сделана двухслойная обмотка с внутренним диаметром 90 мм (рис. 5а), ее ток в жидком гелии и внешнем поле в 20 Тл составил 1950 А [12].
Способы снижения потерь в CORCC на переменном токе и в импульсном режиме возможны путем изолирования ВТСП слоев друг от друга, а также намотки “надрезанными” ВТСП лентами. Актуальна проблема теплового баланса, особенно в связи с тем, что внутренние слои находятся в худших условиях теплосъема. Эта проблема может быть решена за счет меньшей плотности намотки (для небольших полей) и проточным охлаждением через формер. Для ТНЭ магнитных систем может быть применена дополнительная стабилизация ВТСП проводника при помощи формера из меди и обеспечения хорошего теплового контакта ВТСП лент с формером.
Способы повышения технических
характеристик ТНЭ
Для приведенных выше 3 типов сильноточных ТНЭ возможно дальнейшее их объединение между собой, например, для применения в обмотках токамаков:
- Стопка ВТСП лент затягивается в оболочку [6], затем несколько таких ТНЭ транспонируется между собой, и затягиваются в общую круглую оболочку (рис. 6). В итоге, получается кабель , состоящий из 500-600 одиночных ВТСП лент, плотность тока в таком кабеле достигает 80 А/мм2 при условии использования исходных лент с критическим током 100 А.
Рис. 6. Концепция кабеля-в-оболочке, набранного из большого числа ТНЭ типа “скрученная стопка ВТСП лент” [5].
- Сильноточный кабель можно сформировать путем спиральной намотки многих ТНЭ типа Рёбель на формер диаметром от 15 мм, возможно также использование плоского формера (с пазами) или полого формера (рис. 7а) [7]. Отдельные ТНЭ типа Рёбель можно собирать в стопки с последующим затягиванием в оболочку специальной формы с последующим шагом скрутки 200-400 мм (рис. 7б) [7]. Потери в сильноточных кабелях, набранных из большого числа отдельных ТНЭ типа Рёбель, будут меньше, чем для кабеля, собранного из ТНЭ типа CORCC и существенно меньше, чем для кабеля из скрученных стопок лент.
- Несколько ТНЭ типа CORCC в индивидуальных оболочках или без них подвергаются скрутке и затягиваются в общую оболочку круглой формы. Охлаждение в этом случае будет проточным с прокачкой хладагента через общую оболочку. При использовании исходных ВТСП лент с токонесущей способностью при 77 К около 100 А, ток в изготовленном кабеле в жидком гелии и внешнем поле 20 Тл может достигать уровня сотен килоампер, а плотность тока - порядка 70-80 А/мм2. Изготовление сильноточных кабелей из ТНЭ типа CORCC потребует детальной проработки и дальнейших исследований, а также создания довольно масштабных установок. Интересно представить себе обмотку метрового диаметра, намотанную из кабеля, состоящего из большого числа ТНЭ (по 24-40 лент в одном ТНЭ) типа CORCC во внешнем поле 20 Тл с токонесущей способностью 100 кА (!) или в собственном поле с токонесущей способностью в 1000 кА (!)
Рис. 7. а) Спиральная параллельная намотка нескольких ТНЭ типа Рёбель на полый формер с пазами – получается резерфордовский кабель [7]; б) Еще один способ сборки ТНЭ типа Рёбель – сборка в стопку с последующим размещением 6 стопок в специальном формере и скрутки с шагом 200-300 мм [7].
Заключение
Сейчас сильноточные ВТСП ТНЭ и устройства на их основе находятся на стадии создания первых прототипов. Но по логике и по аналогии с тем, что происходило и происходит с НТСП ТНЭ, понятно, что под каждую задачу будут разрабатывать свой собственный ТНЭ. В разных частях одного устройства и даже одной обмотки могут также работать разные ТНЭ.
При разработке сильноточного устройства на основе ВТСП ТНЭ должны быть учтены следующие параметры:
- токонесущая способность в данном поле, температуре и механической нагрузке
- анизотропия токонесущей способности, если она есть
- инженерная плотность тока
- влияние собственного поля для низкополевых применений
- равномерность распределения тока между лентами (и базовыми ТНЭ)
- потери от внешнего поля и от транспортного тока
- тепловой баланс и тепловая стабильность, эффективность охлаждения
- механическая прочность, в том числе деформация, за счет магнитного поля и температурных градиентов
- способы ввода тока – соединения ТНЭ с токовводами и между собой
- методика защиты от перехода в резистивное состояние и от сгорания при переходе
1. Gourab Bansal, “Feasibility Studies on Large-Current Capacity HTS Conductors for Fusion Magnets”, Thesis, 2008, The Graduate University
for Advanced Studies, Japan.
2. D.C. van der Laan et al., “RE-Ba2Cu3O7-δ coated conductor helical cables for electric power transmission and SMES”, EPRI Superconductivity Conference, 2011.
3. K. Shikimachi et al., “System Coordination of 2 GJ Class YBCO SMES for Power System Control”,
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 19, no. 3, p.2012, 2009.
4. D.C. van der Laan et al., “High-current dc power transmission in flexible RE-Ba2Cu3O7-δ coated conductor cables”, Supercond. Sci. Technol. vol. 25, no. 1, 014003, 2012.
5. M. Takayasu et al., “HTS twisted stacked-tape cable conductor” Supercond. Sci. Technol. vol. 25 no. 1, 014011, 2012.
6. L S Lakshmi et al., “Frequency dependence of magnetic ac loss in a Roebel cable made of YBCO on a Ni-W substrate” Supercond. Sci. Technol. vol.23 no. 8, 085009, 2010.
7. W. Goldacker et al., “Possible new concepts for AC CC-cables with very high currents”, International Workshop on Coated Conductors for Applications CCA, 2009.
8. T. Yazawa et al., “Fault current limiter using coated conductors”, International Workshop on Coated Conductors for Applications CCA, 2008.
9. M.S. Novikov et al., “Investigation of Current Distribution in Multi-Tape HTS Samples”, European Conference on Applied Superconductivity, 2011.
10. D C van der Laan, “YBa2Cu3O7-δ coated conductor cabling for low ac-loss and high-field magnet applications”,Supercond. Sci. Technol. Vol. 22 no. 6, 065013 2009.
11. D.C. van der Laan et al., “Compact GdBa2Cu3O7-δ coated conductor cables for electric power transmission and magnet applications” Supercond. Sci. Technol. Vol. 24, nj 4, 042001, 2011.
12. Web: http://advancedconductor.com/
13. S. Fetisov et al., “Critical current measurements of compact HTS cable”, paper 15P-P07-02, ICEC 24 - ICMC 2012.
14. M.C.Novikov et al., “Design and experimental investigation of large conductors made of many transposed HTS tapes wound onto several millimeters diameter flexible formers”, send to Applied Superconductivity Conference (ASC) 2012