Сверхпроводящий обмоточный провод с циркуляционным охлаждением для импульсных сверхпроводящих систем

 

Использование: изобретение относится к электротехнике, а именно к технике сверхпроводящих магнитных систем, термоядерных реакторов, индуктивных накопителей энергии и др. Сущность изобретения: сверхпроводниковый обмоточный провод с циркуляционным охлаждением для импульсных сверхпроводящих магнитных систем содержит выполненный из нержавеющей стали или алюминиевого сплава полый герметичный кожух, в полости которого расположены скрученные сверхпроводниковые многоволоконные проволоки и система для прокачки хладагента с размещенными в ней по крайней мере двумя световодами. При этом внутренняя поверхность кожуха выполнена с выступами, образующими указанную систему для прокачки хладагента, в каждом из выступов расположены по крайней мере два световода, причем между скрученными проволоками также расположены световоды. Изобретение позволяет увеличить токонесущую способность и повысить надежность обмоточного провода. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике. Преимущественной областью использования изобретения является техника сверхпроводящих магнитных систем, термоядерных реакторов, индуктивных накопителей энергии и др.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является сверхпроводящий обмоточный провод с циркуляционным охлаждением [1] содержащий скрутку из сверхпроводниковых многоволоконных композитных проволок, заключенную в герметичный чехол из нержавеющей стали или алюминиевого сплава. Прокачка хладагента осуществляется через каналы, образованные между сверхпроводящими проволоками в скрутке. Оболочечные провода представляются одним из наиболее перспективных типов сверхпроводниковых проводов с циркуляционным охлаждением для стационарных магнитных систем, в которых выбор величины массового расхода хладагента определяется главным образом условиями обеспечения требуемого уровня криостабилизации сверхпроводника.

Однако, если в обмотке имеются дополнительные тепловые нагрузки, например потери энергии, вызываемые воздействием переменных магнитных полей, радиационный нагрев и т.п. то величина массового расхода хладагента должна быть увеличена для обеспечения отвода этого дополнительного тепла от обмотки. Увеличение массового расхода хладагента и оболочечном проводе сопряжено с большими потерями на трение и соответственно большими затратами энергии на прокачку хладагента. Это является основным недостатком оболочечных проводов. В случае появления внешних дополнительных тепловых нагрузок (возмущений), возникающих между проводами обмотки или между проводами и каркасом оболочки (растрескивание компаунда, смещение витков), тепловые возмущения, проходя через чехол, переходят к сверхповодникам, повышая их температуру, и затем воспринимаются хладагентом. При повышении температуры сверхпроводников существенно улучшается их стабильность, что является недостатком обмоточного провода. Этот недостаток влияет на токонесущую способность и надежность работы провода. В предложенном сверхпроводниковом обмоточном проводе указанный недостаток устраняется.

Сущность изобретения заключается в том, что в сверхпроводниковом обмоточном проводе с циркуляционным охлаждением для импульсных сверхпроводящих магнитных систем, содержащем выполненный из нержавеющей стали или алюминиевого сплава полый герметичный кожух, в полости которого расположены скрученные сверхпроводящие многоволоконные проволоки и система для прокачки хладагента, дополнительно содержатся световоды, внутренняя поверхность кожуха выполнена с выступами, образующими указанную систему для прокачки хладагента, при этом в каждом из выступов расположены по крайней мере два световода, и между скрученными проволоками также расположены световоды. Это увеличивает токонесущую способность сверхпроводникового обмоточного провода и повышает его надежность.

На чертеже представлена конструкция предлагаемого обмоточного провода с циркуляционным охлаждением.

Провод содержит каналы охлаждения 1, расположенные между скруткой 2 из сверхпроводников и герметичным чехлом 3, световоды 4, расположенные как на периферии, так и внутри скрутки 2. Внешние тепловые возмущения поглощаются в основном в каналах 1, находящихся на пути прохождения этих возмущений, не достигая сверхпроводников 2. При таком расположении каналов в сверхпроводники переходит малая часть внешних тепловых возмущений. Скрутки сверхпроводящих обмоточных проводов в чехле из нержавеющей стали на основе Nb-Sn при изготовлении обмоток по схеме намотка-отжиг испытывают сжатие со стороны чехла при охлаждении обмотки от температуры запечки (700^оС) до комнатной температуры после их изготовления и затем от комнатной температуры до рабочей (4,2 К) при подготовке к работе из-за неодинакового коэффициента температурного сжатия материалов чехла и скрутки. При этом в проволоках скрутки запасается механическая энергия, которая под действием электромагнитных сил при работе магнита может выделиться в проволоках в виде тепла, нагревающего сверхпроводники. При этом сверхпроводники могут перейти в нормальное состояние. Наличие каналов между чехлов и скруткой позволяет уменьшить степень сжатия скрутки. Повышение температуры сверхпроводников от ослабленных внешних тепловых возмущений, обнаруживаемых световодами 4, использовано для защиты обмотки. Световоды 4 внутри скрутки обнаруживают также повышение температуры от аномальных явлений в сверхпроводниках. Это прежде всего уменьшение скорости прокачки жидкого гелия в оболочке, появление и распространение нормальной фазы в отдельных участках сверхпроводников, связанное с увеличением транспортного тока или влиянием внешнего магнитного поля.

Известный метод защиты сверхпроводящих магнитов при переходе их в нормальное состояние основан на обнаружении нормальной фазы на участке скрутки сверхпроводящих проволок, если все сверхпроводящие проволоки этого участка перешли в нормальное состояние. Так как скрутка не является монолитом, то возможны смещения отдельных проволок, сопровождающиеся возникновением нормальной фазы только в этих проволоках и в находящихся рядом, причем датчик появления нормальной фазы известного метода не зарегистрирует появление нормальной фазы во всей скрутке, что может привести к разрушению проволок, перешедших в нормальное состояние. Наличие световодов в скрутке позволяет обнаружить не только переход в нормальное состояние отдельных проволок скрутки, но и повышение температуры, при которой нормальная фаза еще не возникла, но в дальнейшем может возникнуть. Прекращение увеличения заводимого в магнит тока или его уменьшение вплоть до нуля может предотвратить появление нормальной фазы, что является важным преимуществом предлагаемого решения по сравнению с упомянутым известным устройством защиты, в котором обнаруживается уже факт наличий нормальной фазы.

Сверхпроводниковый обмоточный провод предложенной конструкции может найти широкое применение в импульсных сверхпроводящих магнитных системах, в частности, в полоидальных обмотках термоядерных реакторов токамаков и в индуктивных накопителях энергии. При этом обеспечиваются следующие преимущества: увеличивается надежность, что объясняется улучшением условий охлаждения сверхпроводящих жил и уменьшением вероятности возникновения аварийных режимов; повышается токонесущая способность, что обеспечивается применением в проводнике каналов охлаждения между чехлом и скруткой из сверхпроводников.

Формула изобретения

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ОБМОТОЧНЫЙ ПРОВОД С ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СИСТЕМ, содержащий выполненный из нержавеющей стали или алюминиевого сплава полый герметичный кожух, в полости которого расположены скрученные сверхпроводящие многоволоконные проволоки и система для прокачки хладагента, отличающийся тем, что он дополнительно содержит световоды, внутренняя поверхность кожуха выполнена с выступами, образующими указанную систему для прокачки хладагента, при этом в каждом из выступов расположены по крайней мере два световода и между скрученными проволоками также расположены световоды.

РИСУНКИ

Рисунок 1