Сверхпроводящий провод типа "кабель в оболочке" (кабель-кондуит)
Сверхпроводящий провод типа «кабель в оболочке» («кабель-кондуит») для обмоток магнитных систем, в том числе обмоток установок термоядерного синтеза типа ТОКОМАК и обмоток накопителей энергии «СПИН». Провод содержит сверхпроводящий сердечник и металлическую оболочку. Между внутренней поверхностью оболочки и наружной поверхностью сверхпроводящего сердечника выполнены каналы для прокачки хладоагента. Оболочка может выполняться комбинированной с внутренней частью в виде цельнометаллической бесшовной трубы из алюминия или его сплавов, а наружная часть выполнена из стали или титана. Каналы для прокачки хладоагента между сверхрпроводящим сердечником и оболочкой могут быть образованы за счет выполнения внутренней поверхности алюминиевой трубы фасонной с ребрами или выступами. Каналы могут быть образованы за счет размещения между сверхпроводящим сердечником и оболочкой прокладки в виде спирали, намотанной на сердечник. Изобретение позволяет создать совершенно герметичную систему циркуляции хладоагента при обспечении увеличения плотности тока за счет выбора оптимального отношения площадей поперечного сечения каналов и площади провода и коэффициента заполнения сверхпроводником. 8 ил.
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, точнее к кабельным изделиям, в частности к сверхпроводящим кабельным изделиям, которые могут быть использованы для обмоток мощных сверхпроводящих магнитных систем, в том числе и для обмоток магнитных систем установки термоядерного синтеза типа «ТОКОМАК», например, изготавливаемой по международному проекту ITER, а также для обмоток магнитных систем сверхпроводящих накопителей энергии (СПИН) и устройств стабилизации реактивной мощности в электросетях.
В настоящее время известны различные конструкции сверхпроводящих проводов. Низкотемпературные сверхпроводники выпускаются с очень большим разнообразием конфигураций, основой которых является единичный провод. Это, как правило, круглая проволочка диаметром около 1 мм. Из нее делается, в основном, путем скрутки между собой этих единичных проволочек большое многообразие конфигураций, которое называют сверхпроводящий провод или кабель (английский термин - composite conductor). Известны сверхпроводящие провода с каналами для прокачки хладоагента. Такие конструкции обеспечивают увеличение эффективного периметра теплопередачи провода к хладоагенту, улучшение условий теплообмена, а также уменьшение заливного объема хладоагента. Токопроводящие провода с каналами для прокачки хладоагента могут работать в рефрижерательном режиме и замкнутом цикле [1].
Известна конструкция [2] с несколькими каналами для циркуляции хладоагента. Проводники выполнены в виде коаксиальных медных трубок, пространство между которыми заполнено стабилизированными медью сверхпроводящими поволоками из сплавов Nb-Ti и Nb-Ti-Ta. Недостатком этих конструкций является большой расход хладоагента на единицу плотности транспортируемого тока.
Указанный недостаток устранен в известном проводе типа «кабель-в-оболочке» (английский термин CIC -« cable-in-conduit») (фиг.1) [3]. Из него изготавливают магниты для токомаков - китайского (EAST), корейского (KSTAR), индийского (SST-1) и международного термоядерного реактора по проекту ITER. Этот провод содержит сверхпроводящий сердечник в виде нескольких (обычно шести) стренг. Каждая из стренг представляет собой скрутку из элементарных, стабилизированных медью сверхпроводящих проволок. Стренга может быть уплотнена, а также обвита тонкой узкой лентой предпочтительно с шагом не меньше ширины ленты, предохраняющей стренгу от разрыхления. Стренги скручены вокруг трубы или полого гибкого элемента, представляющего собой спираль, свитую из металлической ленты (нержавеющей стали). Сердечник может быть уплотнен (пористость 30-60%) и обмотан тонкой лентой. Во всех сверхпроводящих сердечниках соблюден принцип полной транспозиции, т.е. повторяемости рисунка скрутки с определенным периодом, что необходимо для снижения потерь и повышения стабильности магнитов. Этот сверхпроводящий сердечник размещен в несверхпроводящей трубе из нержавеющей стали или титана, являющейся оболочкой провода.
Хотя эта конструкция провода является работоспособной и обеспечивает требуемые электрофизические характеристики, сверхпроводящие свойства и параметры транспортировки тока для создания магнитного поля требуемой конфигурации и напряженности, однако у нее имеется существенный недостаток. Этот недостаток заключается в том, что при изготовлении длинномерного провода этой конструкции требуются специально разработанные режимы поперечной сварки оболочки для соединения между собой труб, каждая из которых длиною шесть метров. Кроме того, требуются специальные трудоемкие, ответственные и дорогие методы контроля каждого сварочного шва в отдельности и всей сваренной оболочки в целом, определяющие возможные места утечки гелия. Существенным недостатком этой конструкции является также то, что при ее изготовлении операция установки (монтажа) сверхпроводящего сердечника в оболочке вызывает необходимость использования производственного участка большой протяженности, необходимой для размещения на нем всей длинной исходной трубы.
Попытки изготовить такой провод типа «кабель в оболочке» («кабель-кондуит») путем продольной сварки оболочки, накладываемой на сверхпроводящий сердечник, предпринимались различными изготовителями неоднократно, но не увенчались успехом. Лучший образец длиной около 300 метров, изготовленный в Японии, содержал три участка, на которых сварочный шов пропускал гелий.
Указанные недостатки устранены в известной конструкции [4], являющейся прототипом предлагаемого изобретения. Этот провод типа «кабель в оболочке» («кабель-кондуит») содержит скрученный или транспонированный сверхпроводящий сердечник, размещенный на полом упругом элементе в виде спирали или в виде трубы с перфорированными отверстиями и металлическую оболочку. Отличие в том, что оболочка выполнена комбинированной (композиционной). Внутренняя часть оболочки выполнена из алюминия или сплава на его основе, а наружная часть оболочки выполнена из стали или титана. Провод может быть выполнен круглого поперечного сечения или фасонного в виде прямоугольника, квадрата и др. Принципиально все это нужно и для ВТСП проводов, из которых изготавливают магниты. Недостатком этого провода, еще требующим решения, является недостаточно эффективное охлаждение сердечника. Особенно это относится к охлаждению весьма протяженных проводов (до десятков км).
Цель настоящего изобретения - устранить указанные недостатки сверхпроводящего провода типа кабель в оболочке» («кабель - кондуит»), улучшив его охлаждение.
Поставленная цель достигается за счет того, что в сверхпроводящем проводе типа «кабель в оболочке» («кабель - кондуит») между внутренней поверхностью оболочки и наружной поверхностью сверхпроводящего сердечника выполнены каналы для прокачки хладоагента.
Цель достигается также за счет того, что внутренняя часть комбинированной оболочки может быть изготавлена в виде цельнометаллической бесшовной трубы из алюминия или его сплавов, а каналы для прокачки хладоагента между сверхпроводящим сердечником и оболочкой образованы за счет выполнения внутренней поверхности алюминиевой трубы фасонной с ребрами или выступами. Цель достигается также за счет того, что каналы для прокачки хладоагента между сверхпроводящим сердечником и оболочкой могут быть образованы за счет размещения между сверхпроводящим сердечником и оболочкой прокладки в виде спирали, намотанной на сердечник.
Предлагаемая конструкция провода имеет преимущество по сравнению с прототипом, заключающееся в улучшении условий охлаждения сверхпроводящего сердечника. Наличие каналов для прокачки хладоагента между внутренней поверхностью оболочки и наружной поверхностью сверхпроводящего сердечника обеспечивает улучшенный тепловой контакт за счет увеличения поверхности сердечника, омываемого хладоагентом. Условия охлаждения также улучшаются за счет возможности осуществления прокачки хладоагента в противоположных направлениях в канале, образованном между оболочкой и сердечником, и в канале, расположенном в центре сердечника. Это обеспечивает более высокую надежность предлагаемого провода при его эксплуатации.
Сущность изобретения поясняется фиг.1÷8. На фиг.1 представлены поперечные сечения и общий вид основных существующих конструкций провода типа «кабель в оболочке» («кабель-кондуит») [3]. На фиг.1 показан: 1 - гибкий металлический элемент в виде спирали (формер); 2 - сверхпроводящие стренги; 3 - дополнительные каналы для прокачки хладоагента; 4 - тонкая металлическая лента, которой обвит сверхпроводящий сердечник; 5 - стальная оболочка. На фиг.2 изображено поперечное сечение предлагаемого устройства, представляющего собой сверхпроводящий провод типа «кабель в оболочке» («кабель-кондуит») круглого сечения в комбинированной оболочке, где показаны: 6 - гибкий полый элемент из нержавеющей стали в виде спирали; 7 - сверхпроводящая стренга; 8 - тонкая металлическая лента, обвивающая стренгу; 9 - часть комбинированной цилиндрической оболочки из алюминия, внутренняя поверхность которой выполнена с ребрами 10, образующими канал 11 для прокачки хладоагента; 12 - наружная часть комбинированной (композиционной) оболочки из стали.
На фиг.3 представлена схема поперечного сечения сверхпроводящего провода типа «кабель - кондуит» с сечением круга в комбинированной металлической оболочке, где изображены: 13 - стренга, скрученная из сверхпроводящих проволок; 14 - упругий полый элемент в виде тонкостенной трубы с перфорированными отверстиями 15 в стенке трубы; 16 - каналы для прокачки хладоагента; 17 - внутренняя часть комбинированной оболочки из алюминия; 18 - наружная часть оболочки из стали.
На фиг.4 представлено продольное сечение по оболочке сверхпроводящего провода типа «кабель в оболочке» («кабель-кондуит») в комбинированной металлической оболочке, где изображены: 19 - наружная часть комбинированной оболочки из стали; 20 - внутренняя часть оболочки из алюминия; 21 - прокладка, намотанная в виде спирали на сверхпроводящий сердечник 22; 23 - стренга сверхпроводящего сердечника; 24 - канал для прокачки хладоагента; 25 - гибкий полый элемент из нержавеющей стали в виде спирали (формер).
На фиг.5 показано поперечное сечение провода и продольное сечение по оболочке высокотемпературного сверхпроводящего провода типа «кабель в оболочке» («кабель - кондуит»), где: 26 - каналы для прокачки хладоагента; 27 - алюминиевая оболочка; 28 - ВТСП лента сверхпроводящего сердечника; 29 - алюмомедная полоса; 30 - формер-спираль из алюмомедной полосы, на которой расположены сверхпроводящие ленты.
На фиг.6 представлен транспонированный ВТСП провод типа «кабель в оболочке» («кабель - кондуит»), содержащий сверхпроводящую жилу 31, представляющую собой монолитную конструкцию, которая показана в увеличенном виде; 32 - алюминиевая оболочка жилы; 33 - ВТСП ленты, размещенные в жиле; 34 - формер, для размещения на ней транспонированных жил; 35 - наружная часть, выполненная из стали, комбинированной оболочки; 36 - внутренняя алюминиевая часть комбинированной оболочки провода; 37 - ребра на внутренней поверхности алюминиевой оболочки; 38 - каналы для прокачки хладоагента между оболочкой и транспонированным ВТСП сердечником.
На фиг.7 показан образец низкотемпературного транспонированного сверхпроводящего провода типа «кабель в оболочке» («кабель - кондуит»). Он содержит: 39 - полый элемент в виде тонкостенной трубы с перфорированными отверстиями; 40 - транспонированный сверхпроводящий сердечник; 41 - сверхпроводящая стренга; 42 - легкоплавкий металлозаполнитель (припой); 43 - каналы для прокачки жидкого гелия между сверхпроводящим сердечником и оболочкой; 44 - ребра на внутренней поверхности металлической оболочки»; 45 - оболочка провода.
На фиг.8 представлено поперечное сечение отдельной низкотемпературной сверхпроводящей жилы для транспонированного сердечника: 46 - оболочка из алюминия или алюминиевого сплава; 47 - ребра на внутренней поверхности алюминиевой оболочки; 48 - стренги сверхпроводящего сердечника; 49 - медная матрица многожильной сверхпроводящей стренги; 50 - легкоплавкий металлозаполнитель (припой); 51 - канал для прокачки хладоагента.
Ниже в качестве примеров представлены конкретные модификации сверхпроводящего провода типа «кабель - кондуит» предлагаемой конструкции, предназначенные для обмоток магнитных систем.
Пример 1.
Сверхпроводящий провод типа «кабель в оболочке» («кабель - кондуит») круглого сечения. На фиг.2 изображено поперечное сечение предлагаемого устройства, представляющего собой сверхпроводящий провод типа «кабель в оболочке» («кабель-кондуит») для обмоток магнитных систем установок термоядерного синтеза типа ТОКОМАК. Провод содержит: гибкий полый элемент из нержавеющей стали в виде спирали 6; сверхпроводящую стренгу 7; тонкую металлическую ленту 8, обвивающую сверхпроводящий сердечник из шести стренг 7; внутреннюю часть оболочки из алюминия 9. На внутренней поверхности алюминиевой оболочки расположены ребра 10. Между сверхпроводящим сердечником и алюминиевой оболочкой выполнены каналы 11 для прокачки хладоагента. Наружная часть комбинированной (композиционной) оболочки 12 выполнена из стали. Предлагаемый провод отличается от провода, изготовленного для установки термоядерного синтеза, разрабатываемой по международному проекту ITER, тем, что его оболочка выполнена комбинированной с внутренней частью из алюминия и наружной частью, выполненной из нержавеющей стали. Между сверхпроводящим сердечником и алюминиевой оболочкой выполнены каналы для прокачки хладоагента. Известная конструкция провода для установки термоядерного синтеза типа ТОКОМАК, изготавливаемая по международному проекту ITER, содержит только стальную оболочку, а охлаждение осуществляется прокачкой хладоагента только по одному каналу, расположенному в центре поперечного сечения провода.
Предлагаемый провод имеет следующие преимущества по сравнению с этим известным проводом для обмоток магнитных систем ITER. Это - полное устранение возможности утечки гелия через сварные швы оболочки, поскольку внутренняя часть комбинированной (композиционной) оболочки выполнена из алюминия, является бесшовной и поэтому гелий не проникает через оболочку, выполненную из алюминия. При изготовлении же длинномерного провода, содержащего только стальную оболочку, требуются специально разработанные режимы поперечной сварки оболочки для соединения между собой труб, каждая из которых длиною шесть метров. При этом каждый сварочный шов и всю оболочку необходимо подвергать дорогостоящему специальному контролю для исключения утечки гелия. Предлагаемый провод исключает необходимость использования специальных дорогостоящих методов контроля утечки гелия через сварные швы наружной части оболочки, выполненной из стали.
Предлагаемый провод при его изготовлении не вызывает необходимости в создании специального оборудования, требующего протяженного, равного длине провода производственного участка для затягивания сердечника в оболочку. Предлагаемый провод может быть изготовлен на имеющемся и освоенном оборудовании кабельных заводов: крутильных машинах, гидравлическом кабельном прессе для наложения алюминиевой оболочки на кабели (для кабелей связи иногда наложение алюминиевой оболочки на бумажную изоляцию), оборудовании для наложения стальной оболочки на кабель путем продольной сварки за счет высокочастотного нагрева свариваемых кромок. Предложенный провод позволяет повысить строительную длину провода, длина которого ограничивается только возможностями приемной тары. При изготовлении известного провода, являющегося прототипом, необходим производственный участок, длина которого не меньше длины сваренной трубы, например 1000 м, поскольку сердечник затягивают в оболочку, вытянутую на всю ее длину. Указанные преимущества позволяют значительно снизить стоимость провода, который стоит очень дорого.
Предлагаемая конструкция провода имеет преимущество по сравнению с прототипом, заключающееся в улучшении условий охлаждения сверхпроводящего сердечника. Наличие каналов для прокачки хладоагента между внутренней поверхностью оболочки и наружной поверхностью сверхпроводящего сердечника обеспечивает улучшенный тепловой контакт за счет увеличения поверхности сердечника, омываемого хладоагентом. Условия охлаждения также улучшаются за счет возможности осуществления прокачки хладоагента в противоположных направлениях в канале, образованном между оболочкой и сердечником, и в канале, расположенном в центре сердечника. Это обеспечивает более высокую надежность предлагаемого провода при его эксплуатации.
Кроме того, наложение внутренней оболочки из алюминия высокой чистоты (99,995%), производство которого успешно освоено, позволяет улучшить стабильность провода. При этом также повышается его надежность, поскольку электропроводность этого алюминия увеличивается при рабочей температуре провода в 1000 раз по сравнению с комнатной температурой.
Пример 2.
Сверхпроводящий провод типа «кабель в оболочке» («кабель-кондуит») круглого сечения. На фиг.3 изображена схема поперечного сечение предлагаемого сверхпроводящего провода типа «кабель в оболочке» «кабель-кондуит», имеющего форму круга. Этот провод содержит центральный гибкий полый элемент, представляющий собой тонкостенную металлическую трубу 14 с перфорированными отверстиями 15. Эти отверстия 15 служат каналами для подвода жидкого гелия непосредственно вовнутрь сверхпроводящих стренг 13 для лучшего охлаждения жидким гелием каждой из шести стренг, навитых на полый упругий элемент 14. Каждая из шести стренг 13 представляет собой скрутку из элементарных, стабилизированных медью сверхпроводящих проволок. Стренга может быть уплотнена и обвита тонкой узкой лентой, предпочтительно с шагом не меньше ширины ленты, предохраняющей стренгу от разрыхления и распускания в процессе изготовления. Сердечник может быть уплотнен (пористость 30-60%) и также обмотан тонкой лентой. Сверхпроводящий сердечник заключен в комбинированную оболочку. Внутренняя часть этой комбинированной оболочки 17 выполнена из алюминия в виде цельнометаллической бесшовной тубы. Между сверхпроводящим сердечником и внутренней поверхностью алюминиевой оболочки 17 выполнены каналы 16 для прокачки хладоагента - жидкого гелия. Каналы 16 для прокачки жидкого гелия между сверхпроводящим сердечником и оболочкой 17 образованы за счет выполнения внутренней поверхности алюминиевой оболочки фасонной с выступами, которые в этом примере имеют форму треугольника. Наружная часть комбинированной оболочки 18 выполнена из титана.
Для сварки наружной оболочки 18 из титана можно использовать СО2-лазер с фокусным расстоянием 0,2 мм, который позволяет осуществить высокую концентрацию энергетического пучка на весьма ограниченной площади свариваемых кромок трубы. Это позволяет сохранить неизменными такие характеристики титана, как высокая коррозионная стойкость, хорошая деформируемость в холодном состоянии. Преимущества предлагаемого провода по сравнению с прототипом такие же, как в предыдущем примере.
Провод работает следующим образом. Применение провода с большим сечением токопроводящей жилы и соответственно высоким значением силы тока позволяет создавать крупные обмотки в мощных магнитах. Охлаждение обмотки осуществляют, используя вынужденную циркуляцию гелия внутри комбинированной оболочки. Провод, в основном, работает в сверхпроводящих магнитных системах. Провод навивают в виде обмотки желаемой конфигурации и используют в качестве обмоток сверхпроводящего электромагнита или обмоток другого криоэлектротехнического устройства. Предлагаемая конструкция провода помимо повышения его надежности при эксплуатации снижает и эксплуатационные расходы.
Пример 3.
Сверхпроводящий провод типа «кабель в оболочке» («кабель - кондуит») круглого поперечного сечения. На фиг.4 изображено продольное сечение только по оболочке предлагаемого сверхпроводящего провода, а сверхпроводящий сердечник 23 и гибкий полый элемент из нержавеющей стали в виде спирали (формер) 25, размещенные в комбинированной оболочке, - показаны не рассеченными вертикальной плоскостью. Сверхпроводящий сердечник 23 обвит тонкой металлической лентой 22, предпочтительно с шагом не меньше ширины ленты, предохраняющей сердечник от разрыхления. Отдельные стренги сердечника могут быть уплотнены и также обвиты тонкой узкой металлической лентой. Отличие этого провода заключается в том, что между сверхпроводящим сердечником 23 и внутренней частью алюминиевой оболочки 20, выполненной в виде полого цилиндра, размещены каналы 24 для прокачки жидкого гелия между сверхпроводящим сердечником 23 и этой оболочкой 20. Каналы 24 образованы за счет размещения между сверхпроводящим сердечником 23 и оболочкой 20 прокладки в виде спирали 21, намотанной на сердечник 23. Прокладка может быть выполнена из электроизоляционного материала, например из фторопласта, а может выполняться из металлической, например, алюминиевой проволоки круглого или прямоугольного поперечного сечения. Прокладка может даже выполняться из сверхпроводящей проволоки.
Наружная часть комбинированной оболочки 19 выполнена из нержавеющей стали.
Преимущества предлагаемого провода по сравнению с прототипом такие же, как в предыдущем примере.
Пример 4.
Высокотемпературный сверхпроводящий провод типа «кабель в оболочке»
Сейчас усилия многих стран мира направлены на замену стареющего оборудования и сетей в своих энергосистемах. В США для действующей электросети на территории штата Нью-Йорк в сеть напряжением 138 кВ включен ВТСП кабель длиной 610 м из ВТСП проводов второго поколения, изготовленных компанией AMSC. ВТСП провода 2-го поколения представляют собой «бутерброд», в котором на достаточно толстую (от 50 до 120 мкм) подложку нанесена тонкая (менее 3 мкм) пленка ВТСП на основе YBaCuO.
Плотность тока в таких проводах можно поднять как за счет улучшения свойств ВТСП пленок, так и путем простого увеличения их толщины.
Компания (AMSC) сообщила о продаже нового трехслойного сверхпроводящего ВТСП провода второго поколения шириной 4,4 мм (промышленный стандарт 344). Токонесущий элемент представляет собой пленку YBaCuO, нанесенную на подложку Ni-W сплава через буферные оксидные слои. Пленка YBaCuO покрыта серебром. В свою очередь, весь проводник с обеих сторон покрыт медной фольгой как с защитной целью, так и для удобства распайки. Рекомендуется паять припоями с температурой плавления менее 150°С. При пайке следует использовать только бескислотные флюсы.
Из таких исходных лент во ВНИИКП изготовлен длинномерный высокотемпературный сверхпроводящий кабель. Сверхпроводящий сердечник этого кабеля использован в предлагаемой конструкции высокотемпературного сверхпроводящего провода типа «кабель в оболочке» («кабель-кондуит»). На фиг.5 показано поперечное сечение провода и продольное сечение по оболочке высокотемпературного сверхпроводящего провода типа «кабель в оболочке» («кабель-кондуит»). Провод содержит высокотемпературный сверхпроводящий сердечник, образованный размещением ВТСП лент 28 на формере 30, представляющим собой спираль из алюмомедной полосы 29 прямоугольного поперечного сечения. Этот сверхпроводящий сердечник размещен в оболочке. Алюминиевая оболочка 27, представляющая собой цельнометаллическую бесшовную трубу, выполнена с цилиндрической наружной поверхностью и фасонной внутренней поверхностью. Между сверхпроводящим сердечником 28 и алюминиевой оболочкой 27 выполнены каналы 26 для прокачки хладоагента. Каналы 26 для прокачки хладоагента между сверхпроводящим сердечником 28 и оболочкой 27 образованы за счет выполнения внутренней поверхности алюминиевой оболочки фасонной, с выступами, которые в этом примере имеют форму треугольника. На наружную поверхность оболочки нанесено электроизоляционное покрытие.
Провод с высоким значением силы тока может содержать комбинированную оболочку. Внутренняя часть комбинированной оболочки аналогична оболочке, представленной в этом примере. Наружная часть представляет собой тонкостенную трубу, выполненную из нержавеющей стали или титана, путем формовки полосы вокруг внутренней части оболочки и продольной сварки ее кромок. В этой конструкции электроизоляционное покрытие нанесено на наружную часть комбинированной оболочки.
Предлагаемая конструкция высокотемпературного сверхпроводящего провода типа «кабель в оболочке» обеспечивает улучшенные условия охлаждения. Наличие каналов для прокачки хладоагента между внутренней поверхностью оболочки и наружной поверхностью сверхпроводящего сердечника обеспечивает улучшенный тепловой контакт за счет увеличения поверхности сердечника, омываемого хладоагентом. Условия охлаждения также улучшаются за счет возможности осуществления прокачки хладоагента в противоположных направлениях в канале, образованном между оболочкой и сердечником, и в канале, расположенном в центре сердечника. Это обеспечивает более высокую надежность предлагаемого провода при его эксплуатации. Предложенный провод позволяет повысить строительную длину провода, длина которого ограничивается только возможностью изготовления исходной сверхпроводящей ленты необходимой длины. Предлагаемая конструкция провода увеличивает длину провода, располагаемую между насосными станциями для прокачки хладоагента, что обеспечивает снижение эксплутационных расходов.
Пример 5.
Высокотемпературный сверхпроводящий транспонированный провод типа «кабель в оболочке».
Для создания магнитов различного назначения используются транспонированные сверхпроводящие провода, в которых соблюден принцип полной транспозиции, т.е. повторяемости рисунка скрутки элементарных проводников с определенным периодом, что необходимо для снижения потерь и повышения стабильности магнитов на основе низкотемпературных сверхпроводников. Принципиально все это нужно и для ВТСП магнитов, особенно для больших магнитов, нужны проводники большого поперечного сечения типа «кабель в оболочке» («кабель - кондуит»). Транспонированные провода понятно, как делать из проводников круглого сечения, а при изготовлении их из исходных тонких ленточных проводников возникают трудности. В многослойной композиции - «слой ВСТП-буфер-слой ВТСП-буфер…» отсутствует трансляционная симметрия и равномерное распределение тока по отдельным элементам проводника, т.е. по отдельным лентам
На фиг.6 представлена конструкция предлагаемого транспонированного ВТСП провода типа «кабель в оболочке» («кабель-кондуит»). Высокотемпературный сверхпроводящий транспонированный сердечник содержит двадцать семь высокотемпературных сверхпроводящих жил 31, каждая из которых представляет собой монолитную композиционную конструкцию, которая показана на рисунке отдельно (фиг.6) в увеличенном виде. Эта монолитная композиционная жила является многослойной, содержащей от четырех до восьми слоев 33 «ВТСП лента-буфер», размещенных в бесшовной оболочке 32 прямоугольного поперечного сечения из алюминия высокой чистоты (99,995÷99,5%). Стенки этой оболочки толще, чем общая толщина всех слоев ВТСП лент и буферов. Высокотемпературный сверхпроводящий транспонированный сердечник образован размещением транспонированных жил 31 на формере 34, представляющим собой металлическую прямоугольную спираль из стали, меди или алюминиевого сплава. Высокотемпературный сверхпроводящий транспонированный сердечник размещен в композиционной оболочке. Внутренняя часть оболочки 36 представляет собой цельнометаллическую трубу из алюминия или алюминиевого сплава. Наружная поверхность этой цельнометаллической алюминиевой оболочки имеет прямоугольное поперечное сечение. Между наружной поверхностью транспонированного сверхпроводящего сердечника и внутренней поверхностью алюминиевой оболочки выполнены каналы 38 для прокачки по ним хладоагента. Эти каналы 38 образованы за счет выполнения внутренней поверхности алюминиевой трубы фасонной с выступами или ребрами 37. Наружная часть комбинированной оболочки представляет собой тонкостенную трубу 35, выполненную из нержавеющей стали или титана, путем формовки полосы по периметру наружной поверхности алюминиевой внутренней части оболочки и продольной сварки ее кромок.
Преимущество предлагаемой конструкции заключается в том, что она позволяет создать совершенно герметичную систему циркуляции хладоагента при обеспечении увеличения плотности тока за счет выбора отношения площадей каналов и площади провода и коэффициента заполнения сверхпроводником. Создание дополнительных каналов для прокачки хладоагента создает более благоприятные условия обеспечения стабильности за счет более эффективных и благоприятных условий охлаждения при прокачке хладоагента. При этом возможна прокачка и циркуляция хладоагента по противоположным направлениям.
Пример 6.
В низкотемпературных сверхпроводящих обмотках, генерирующих изменяющееся во времени магнитное поле, чаще всего используются транспонированные провода, изготовленные одноповивной скруткой с последующей формовкой до прямоугольного профиля. По конструктивному оформлению, охлаждаемым массам, тепловым нагрузкам, условиям охлаждения сверхпроводящие устройства сильно отличаются друг от друга, например сверхпроводящие магниты термоядерной установки «Токомак-15» имели массу около 250000 кг.
В них использовался сверхпроводник на основе Nb3Sn, состоящий из скрутки 11 проводов диаметром 1,5 мм. Возможны и другие варианты скрутки прямоугольного сечения. На основе такого сверхпроводящего сердечника, заключенного внутрь массивной алюминиевой матрицы, сделаны магниты детекторов ATLAS на Большом адронном коллайдере (LHC). Многообразие магнитных сверхпроводящих устройств предопределяет многообразие конструкций сверхпроводящих проводов и систем их охлаждения. Поддержание постоянства температуры при эксплуатации является очень важным.
Для некоторых устройств могут представлять интерес транспонированные низкотемпературные провода в металлической оболочке. На фиг.7 показан образец низкотемпературного транспонированного сверхпроводящего провода типа «кабель в оболочке» («кабель-кондуит»). Он содержит 39 - полый элемент в виде тонкостенной трубы с перфорированными отверстиями. На этом полом элементе 39 размещен транспонированный сверхпроводящий сердечник 40, представляющий собой провод с токопроводящей жилой из стренг 41, взаимное расположение которых периодически меняется. Сверхпроводящая стренга 41 состоит из скрученных между собой отдельных многожильных, многоволоконных сверхпроводящих проволок. Межстренговое пространство заполнено легкоплавким металлозаполнителем (припоем) - 42. Транспонированный сверхпроводящий сердечник 40 размещен в цельнометаллической оболочке 45 из алюминия или алюминиевого сплава. Между внутренней поверхностью оболочки 45 и наружной поверхностью сверхпроводящего сердечника 40 выполнены каналы 43 для прокачки жидкого гелия между сверхпроводящим сердечником и оболочкой. Эти каналы 43 образованы за счет выполнения внутренней поверхности алюминиевой оболочки фасонной с выступами или ребрами 44. По этим каналам 43 возможно осуществлять прокачку жидкого гелия в направлении, противоположном его прокачке в канале, расположенном в центре сердечника, в тонкостенной трубе 39 с перфорированными отверстиями. Это обеспечивает более высокую надежность предлагаемого провода при его эксплуатации.
При необходимости повышения прочности провода оболочка 45 может выполняться комбинированной с наружной частью комбинированной оболочки, представляющей собой тонкостенную трубу, выполненную из нержавеющей стали или титана, путем формовки полосы по периметру наружной поверхности алюминиевой внутренней части оболочки и продольной сварки ее кромок.
Провод работает следующим образом. Провод используют в виде обмотки желаемой конфигурации для сверхпроводящих электромагнитов или обмоток других криоэлектротехнических устройств. Охлаждение обмотки осуществляют, используя вынужденную циркуляцию гелия внутри оболочки. Предлагаемая конструкция провода повышает его надежность при эксплуатации.
На фиг.8 представлено поперечное сечение отдельной низкотемпературной сверхпроводящей жилы для транспонированного сердечника. Наружный минимальный диаметр этой жилы обусловлен достигнутой возможностью существующей технологии наложения цельнометаллической оболочки путем опрессовки алюминием сердечника. Каждая такая жила может служить для изготовления транспонированного сердечника, содержащего нечетное число этих жил от девяти до девятнадцати. Каждая из этих жил представляет собой конструкцию провода типа «кабель в оболочке» («кабель-кондуит»), содержащего цельнометаллическую оболочку 46 с ребрами на ее внутренней поверхности - 47. Сверхпроводящий сердечник провода представляет собой скрутку из семи отдельных стренг 48 в виде многожильных, многоволоконных сверхпроводников, размещенных в медной матрице - 49. Межстренговые промежутки этих отдельных стренг 48 заполнены легкоплавким металлом или сплавом (припоем) - 50. Между наружной поверхностью сверхпроводящего сердечника и внутренней поверхностью алюминиевой оболочки выполнены каналы 51 для прокачки по ним жидкого гелия. Эти каналы 51 образованы за счет выполнения внутренней поверхности алюминиевой трубы фасонной с ребрами 47. При использовании таких жил в транспонированном проводе типа «кабель в оболочке» («кабель - кондуит») вместо стренг 41 (фиг.7) достигаются лучшие условия охлаждения, обеспечивающие более высокую надежность при эксплуатации.
Источники информации
1. W.C. Hamilton. Manufacture of a 16000 AMP superconducting conductor for the Tocomak Toroidal field coil. Large Coil program. «Proc 9 Symp. Eng. Prohl. Fusion Researh// IEEE Pub. №81 CH 1716-2. p. 324÷327.
2. Г.Г.Свалов, Д.И.Белый. Сверхпроводящие и криорезистивные обмоточные провода. - М.: Энергия, 1974 г., стр.108-109.
3. Рекламный буклет ВНИИКП «Провода сверхпроводящие в металлической оболочке».
4. Заявка на изобретение RU 2006113615. Бюл. №30, 2007 г.
Сверхпроводящий провод типа «кабель в оболочке» (кабель-кондуит), содержащий сверхпроводящий сердечник, металлическую оболочку и полые каналы для прокачки хладагента, в том числе каналы, образованные за счет размещения между сверхпроводящим сердечником и оболочкой прокладки, намотанной на сердечник в виде спирали, отличающийся тем, что при выполнении оболочки в виде цельнометаллической бесшовной трубы из алюминия или его сплавов или комбинированной оболочки с наружной частью из стали и внутренней частью из алюминия или его сплавов, каналы для прокачки хладоагента между сердечником и оболочкой образованы за счет выполнения внутренней поверхности алюминиевой трубы фасонной с ребрами или выступами протяженностью по всей длине длинномерного провода, а при выполнении каналов за счет прокладки, намотанной по спирали, прокладку выполняют из металла, сверхпроводника или электроизоляционного материала, при этом при выполнении сердечника из транспонированных сверхпроводящих элементов, а прокладки из сверхпроводника или гиперпроводника, намотка спирали имеет противоположное направление намотке транспонированных элементов сердечника.
