Исследования обмоточных сверхпроводников для создания крупномасштабных магнитных систем

К настоящему моменту сверхпроводимость, первоначально нашедшая применение в магнитных системах для фундаментальных исследований и физики высоких энергий, широко применяется в магнитных системах установок управляемого термоядерного синтеза (УТС) [1, 2].

Использование «горячей» дейтерий-тритиевая плазмы, сохраняемой в заданных границах с помощью сильных магнитных полей, представляется наиболее перспективным путём реализации термоядерного синтеза в целях получения неограниченного источника энергии [3,4]. Применение сверхпроводимости способно существенно уменьшить энергопотребление установок УТС.

Сверхпроводящие магнитные системы (CMC) используются в установках УТС различного типа, включая так называемые токамаки (тороидальная камера с магнитными катушками). В конструкции трёх наиболее известных Токамаков (Т15 [4,6], Tore Supra [5] и Triam [5]) использованы сверхпроводящие обмотки тороидального поля. В современных проектах применение сверхпроводимости было распространено на центральный соленоид, катушки полоидального поля и корректирующие катушки.

Наиболее известный проект полностью сверхпроводящего Токамака — международный термоядерный экспериментальный реактор ИТЭР, проектная стадия которого, включая крупномасштабные модельные эксперименты, была выполнена специалистами Европы, США, Российской Федерации и Японии в период с 1988 по 2002 г. [7, 8,9,10].

Чтобы достичь необходимых для УТС параметров, проект электромагнитной системы (ЭМС) ИТЭР выдвигает рекордные требования к сверхпроводящим проводам (ток до 50 кА в магнитном поле 13 Т), системе электрической изоляции (электрические напряжения до 5 кВ) и силовым элементам конструкции (силовые нагрузки до 400 МН).

Выполнение вышеуказанных требований потребовало разработки конструкции и технологии производства, а также промышленного освоения процесса изготовления обмоточных сверхпроводников (проводов) типа «кабель-в-оболочке», представляющих собой скрученные ниобий-оловянные (ЫЬзБп) или ниобий титановые (NbTi) проволоки (стренды), заключаемые в металлическую оболочку круглого или квадратного сечения и охлаждаемые потоком гелия при температуре ~ 4,5 К [11,12,13].

Основные преимущества подобных проводов, по сравнению с проводами «погружного» типа — высокая эффективность охлаждения сверхпроводящих проволок, механическая прочность и возможность применения максимально безопасных схем электроизоляции.

Примеры Nb3Sn стренда [14] и провода типа «кабель-в-оболочке» [15], разработанных и изготовленных соответственно в ФГУП «ВНИИНМим. Академика А. А. Бочвара» и ОАО «ВНИИКП» в соответствии с требованиями тороидальной обмотке ЭМС ИТЭР, приведены на рис. В-1.

Для подтверждения свойств обмоточных сверхпроводников на этапах разработки и массового производства проводятся экспериментальные исследования сверхпроводящих и электрофизических свойств проводов в условиях, близких к рабочим, имеющих место в CMC.

Объём экспериментальных работ зависит от масштаба и стоимости CMC. В случае ИТЭР экспериментальным исследованиям подверглись как короткие (длиной менее 2 м) образцы, так и модельные катушки, изготовленные из полномасштабных образцов обмоточных сверхпроводников длиной 40 — 200 м.

Исследования коротких образцов проводятся для оценки технических характеристик провода в первом приближении и контроля качества проводов при массовом выпуске в подтверждение приемлемости выбранной технологии изготовления проводников.

Из-за размерных и методических ограничений исследования коротких образцов не обеспечивают полную адекватную проверку свойств обмоточных проводников в рабочих условиях. Для более точного воспроизведения рабочих условий используются модельные катушки, изготовленные с использованием конструктивных решений и предполагаемой технологии изготовления CMC. Испытания модельных катушек в условиях, близких к реальным рабочим условиям CMC, позволяют выявить неучтённые ранее недостатки конструкции обмоточных сверхпроводников и технологии их изготовления.

Рис. В-la. Поперечное сечение Nb3Sr" стренда. Рис. В-16. Фрагмент Nb3Sn стренда разработанного и изготовленного во ВНИИНМ (после диффузионного отжига), (до диффузионного отжига).

Рис. В-1 В. Конструкция Nb3Sn провода типа Рис. В-1г. Поперечное кабель-в-оболочке". изготовленного во сечение Nb3Sn провода типа ВНИИКП. «каоель-в-ооолочке».

Оболочки ^ j f.

Hi Titiiiua.

Tin ановая сп нраль.

NbsSn стренды компогптных сверхпроводящих.

ПрОЕОЧРКН диаметром 0,82 ми.

Предлагаемая к рассмотрению работа посвящена развитию научных подходов и решению технических задач, связанных с проведением экспериментальных исследований сверхпроводящих стрендов и проводов в обеспечение проектирования ЭМС ИТЭР.

В общем случае экспериментальные исследования включают в себя:

• проведение расчётов с целью определения максимальных рабочих условий стренда или провода CMC и возможности их моделирования;

• разработку программы эксперимента или приемо-сдаточных испытаний, содержащей перечень измеряемых характеристик и описание измерительных методик, обеспечивающих соответствие условий испытаний расчётным параметрам моделирования;

• разработку конструкций образцов для исследований;

• разработку диагностических средств, включая конструктивную проработку способов установки датчиков и калибровочные измерения;

• создание измерительных установок, реализующих разработанные методики;

• разработку методик и средств предварительной обработки и последующего анализа полученных результатов.

Объём экспериментальных работ прямо зависит от масштаба и стоимости CMC. В случае ЭМС ИТЭР модельным экспериментальным исследованиям подверглись все основные элементы конструкции, включая значительные длины полномасштабных сверхпроводящих проводов.

В части NbsSn и NbTi сверхпроводников ИТЭР следует отметить две программы экспериментальных исследований, участие в которых приняли организации из Японии, США, России и стран Европейского сообщества.

1) Программа аттестационных испытаний сверхпроводящих проволок и неполномасштабных образцов провода ИТЭР (1993;1995 г. г.) [16].

2) Программа по сооружению и испытаниям Модельных Катушек ИТЭР с размерами, минимально необходимыми для испытания проводов ИТЭР в условиях, соответствующих напряженно-деформированному состоянию, электромагнитным и термогидравлическим режимам работы ЭМС ИТЭР.(1993;2003 г. г.) [17].

В ходе выполнения первой основные производители стрендов — Hitachi Cable, EM-LMI, IGC и ВНИИНМ — предоставили NbsSn стренды, из которых были изготовлены образцы самих стрендов (рис. В-2а) и образцы провода типа «кабель-в-оболочке». Последние были использованы для всесторонней проверки оборудования для измерения критического тока, потерь энергии, удельного сопротивления и других сверхпроводящих и электрофизических параметров, созданного в НИИЭФА (Россия), MIT (США), СЕА (Франция), JAER1 (Япония), Twente Unuversity (Голландия).

Целью второй программы была экспериментальная проверка на полномасштабных прототипах и моделях новейших технологий, необходимых для создания обмоточных сверхпроводников и конструкции ЭМС ИТЭР. В рамках этой программы [18,19] США, Японией, Россией и Европейским сообществом были сооружены и испытаны Модельная Катушка Центрального Соленоида (МКЦС) [19], Модельные Катушки-вставки [20,21], включая российскую Катушку-Вставку с образцом Провода Тороидальной Обмотки (КВПТО) [21,22,53] (рис. В-26), и Модельную Катушку Тороидального Поля (МКТП) [23]. Данная программа позволила объединить в единое целое работы по созданию обмоточных сверхпроводников магнитной системы ИТЭР, их электрических контактных соединений, криогенных токовых вводов, конструкционной стали силовой структуры, электроизоляции, системы диагностики и защиты, а также технологии изготовления обмоток ЭМС ИТЭР.

Для реализации программ потребовалось:

1) Разработать методики определения технических характеристик, перечень и условия измерений которых соответствуют требованиям проекта ИТЭР.

2) Разработать конструкции образцов сверхпроводящих стрендов и обмоточных сверхпроводников, обеспечивающих адекватную проверку их свойств в рабочих условиях.

Несмотря на разницу в масштабах образцов стрендов и полномасштабных проводов ИТЭР, которую иллюстрирует рис. В-2, и в том, и другой случай требуется решение магнитои термомеханических задач, связанных с:

• широким температурным диапазоном использования механических структур для закрепления сверхпроводящих стрендов или проводов. Например, в случае сверхпроводящего соединения Nb3Sn, получаемого путём специальной термообработки, диапазон применения составляет 4,2 — 920 К;

• электромагнитными силами, действующими на стренды и провода, несущие токи до 50 кА в магнитных полях до 13 Тл.

Рис. В-2а. Образцы Nb3Sn стренд на Рис. В-26. КВПТО ИТЭР в силовом каркасах для термообработки и каркасе из нержавеющей стали, измерения критических параметров. изготовленная в рамках Программы модельных катушек ИТЭР.

3) Создать измерительные установки и экспериментальные стенды, обеспечивающих реализацию разработанных методик.

Масштаб оборудования для испытаний варьируется от измерительных станций для определения отдельных сверхпроводящих и электрофизических характеристик до огромных сооружений, подобных Международному испытательному стенду ИТЭР, созданному в Японском Институте Исследований по Атомной Энергии (JAER1) [24], в состав которого входят.

МКЦС — сверхпроводящий цилиндрический соленоид с магнитным полем 13 Т в отверстии диаметром около 2 м, источник тока до 60 кА, система криообеспечения, система управления, сбора и контроля информации и система защиты.

4) Разработать и реализовать на практике системы диагностики с использованием как традиционных (потенциальные концы, измерительные катушки, криогенные термометры, тензодатчики, датчики Холла и т. п.), так и нетрадиционных (оптоволоконная диагностика, датчики акустической эмиссии и т. п.) измерительных датчиков.

5) Разработать методики предварительной обработки и последующего анализа результатов измерения.

При этом отдельной задачей была разработка методик сравнения результатов, полученных при исследовании одиночных стрендов с характеристиками тех же стрендов, полученными в составе неполнои полномасштабных проводов.

Результаты исследований, проведённых в рамках данной диссертационной работы, позволили всесторонне проверить разработанную конструкцию и технологию изготовления обмоточного сверхпроводника тороидальной обмотки ЭМС ИТЭР. Полученные данные могут быть использованы при подготовке технических спецификаций проводов ЭМС ИТЭР и других крупных CMC, что определяет актуальность представленной диссертации.

Работа выполнена в соответствии с Федеральными целевыми научно-техническими программами:

-«Международный термоядерный реактор ИТЭР» на 2002;2005 годы (постановление Правительства РФ № 604 от 21 августа 2001 г.).

— «Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку» на 1996;1998 годы (постановление Правительства РФ № 1119 от 19 сентября 1996 г.) и на 1999;2001 годы (№ 1417 от 1 декабря 1998 г.).

Цель работы.

Целью диссертационной работы является создание и использование на практике экспериментальных методик, измерительного оборудования и диагностических средств как для исследования коротких образцов обмоточных сверхпроводников крупных CMC, включая ЭМС ИТЭР, так и для испытаний полномасштабного 43-метрового образца обмоточного сверхпроводника тороидальной обмотки ИТЭР в составе модельной катушки Катушки-Вставки с Проводником Тороидальной Обмотки (КВПТО) ИТЭР.

Решены следующие задачи:

1. Разработка экспериментальной методики и создание установки для измерения потерь энергии за цикл изменения во времени внешнего магнитного поля в коротких образцах обмоточных сверхпроводников.

2. Разработка методики и оборудования для оперативного регулирования и стабилизации температуры образцов обмоточных сверхпроводников в диапазоне 4,2 — 120 К.

3. Разработка программы и проведение испытаний КВПТО в составе МКЦС на международном стенде JAERI (Нака, Япония), включая разработку методического обеспечения, подготовку измерительной диагностики, проведение исследований и предварительный анализ полученных результатов.

4. Разработка методик, проведение и анализ результатов послеиспытательного контроля состояния обмотки и провода КВПТО, в ходе которого был проведён дополнительный анализ результатов испытаний КВПТО на стенде JAERI.

Научная новизна и результаты, выносимые на защиту.

В рамках представляемой работы ряд принципиально известных методик были существенно модифицированы в применении к реальным объектам исследования, а также задачам ИТЭР, что позволяет говорить об их новизне. — Разработана и реализована в экспериментальной установке методика измерения потерь энергии в коротких образцах обмоточных сверхпроводников. Отличительные особенности методики:

• одновременное измерение потерь энергии электромагнитным и калориметрическим методами при однократном изменении внешнего магнитного поля по треугольному или трапецеидальному закону;

• использование на выходе калориметрического объёма высокочувствительного поплавкового ротаметра с электронным устройством считывания положения поплавка;

• использование нагревателя, расположенного в объёме калориметра для создания опорного потока газа, обеспечивающего начальное положение поплавка ротаметра.

— Разработаны методика и аппаратное обеспечение для оперативного регулирования и стабилизации температуры образцов обмоточных сверхпроводников в диапазоне 4,2—120 К. Основная особенность — возможность моделирования теплофизических процессов, предполагающих стабилизацию на заданном уровне температуры образцов, охлаждаемых сверхкритическим гелием.

— Разработаны методические подходы к моделированию рабочих условий обмоточных сверхпроводников крупных CMC, включая ЭМС ИТЭР. В частности, программа испытаний КВПТО в составе МКЦС была разработана для моделирования условий, максимально приближенных к наиболее жёстким рабочим условиям по магнитному полю и механическим напряжениям (зона максимального поля на внутренней ноге катушки тороидального поля ИТЭР).

— В ходе испытаний КВПТО впервые проверены на полномасштабном образце конструкция и технология изготовления российского ниобий-оловянного провода для тороидальной обмотки ИТЭР. Максимальный испытательный ток составил 46 кА в поле 13 Тл. Как и в МКЦС, обнаружен эффект снижения критических параметров провода по сравнению с характеристиками, рассчитанными на основе результатов испытаний исходных стрендов.

— Разработана и успешно применена в ходе испытаний КВПТО система термометрии высоковольтных компаундированных обмоток с помощью термометров сопротивления. Отличительная особенность — размещение датчиков на первом полиимидном слое изоляции провода КВГГГО толщиной 0,25 мм. Последующие слои из стеклоленты после вакуумной пропитки компаундом обеспечивают механическое крепление и защиту термометров от высокого электрического напряжения. — Разработана и испытана в лабораторных условиях специальная конструкция оптоволоконного кабеля, размещаемого в канале охлаждения обмоточного сверхпроводника для измерения распределения температуры по его длине.

Разработаны и реализованы на практике методики контроля состояния обмотки и провода КВПТО после испытаний на стенде JAERI. Обнаружены многочисленные дефекты стрендов в местах контакта со спиралью охлаждающего канала и пластическая деформация структуры кабеля КВПТО под действием электромагнитных сил. Практическая ценность.

Результаты, полученные в рамках данной диссертационной работы, имеют следующее практическое значение:

1. Методика и установка для измерения потерь энергии в изменяющемся магнитном поле успешно использованы при исследовании образцов обмоточного сверхпроводника индуктивного накопителя с циркуляционным охлаждением энергоёмкостью 100 МДж, проведённого в НТЦ «Синтез» ФГУП НИИЭФА им. Д. В. Ефремова по заказу американской фирмы BWXT.

2. Измерения критических параметров образцов вышеупомянутого обмоточного сверхпроводника проведены с использованием разработанных методики и оборудования для оперативного регулирования и стабилизации температуры. Кроме того, разработанные методические подходы к регулированию температуры провода, охлаждаемого потоком однофазного гелия, были использованы в ходе испытаний КВПТО на международном стенде JAERI.

3. Разработанный способ размещения термометров между слоями компаундированной высоковольтной изоляции использован при установке термометров для приемо-сдаточных испытаний высоковольтной обмотки зарядной катушки, изготовленной во ФГУП НИИЭФА им. Д. В. Ефремова по заказу Массачусетского технологического института (MIT, США).

4. Разработанные методики неразрушающего и разрушающего контролей внедрены и используются в НТЦ «Синтез» ФГУП НИИЭФА им. Д. В. Ефремова для контроля качества изготовления образцов обмоточных сверхпроводников и CMC различного назначения.

5. Результаты испытаний КВПТО, наряду с результатами испытаний других модельных катушек ИТЭР, стали исходной базой для корректировки критериев проектирования обмоточных сверхпроводников ЭМС ИТЭР. Достоверность основных результатов.

1. Представленные в диссертационной работе методика и установка для измерения потерь энергии в коротких образцах обмоточных сверхпроводников были сертифицированы без замечаний в рамках проекта ИТЭР после сравнительных испытаний с участием аналогичных установок, созданных в MIT (CLLLA), СЕА (Франция), JAERI (Япония), Twente Unuversity (Голландия).

2. Результаты испытаний КВПТО на стенде JAERI были проанализированы Международной группой по испытаниям модельных катушек ИТЭР, в состав которой входили специалисты из Японии, США, Европы и России. Результаты анализа подтвердили достоверность полученных результатов, после чего они были включены в базы данных и опубликованы в документах ИТЭР, а также в сборниках материалов различных конференций.

3. Достоверность результатов послеиспытательного контроля подтверждается использованием современных методов исследования (рентгеновской интроскопии, ультразвуковой дефектоскопии, рентгенографии, с высоким разрешением, программного обеспечения для анализа цифровых фотографий и т. п.). Кроме того, результаты разрушающего контроля подтверждаются данными, полученными в ходе измерения гидравлических характеристик провода КВПТО.

Апробация результатов и публикации. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на рабочих совещаниях Центральной команды ИТЭР (г. Нака, Япония и Сан-Диего, США) в период с 1996 по 2002 г. г., а также представлялись на всероссийских конференциях «Инженерные проблемы термоядерных реакторов» (Ленинград, октябрь 1990; Санкт-Петербург, май 1997 и октябрь 2002) — международных конференциях по Магнитным технологиям (МТ-12, Ленинград, 1991 г.- МТ17, Женева, 2001 г.) — по Термоядерной энергии (17th IAEA, 1998 г.) — по Проблемам прикладной сверхпроводимости (ASC-2002, Хьюстон, ASC-2004, Джексонвиль).

Результаты диссертации опубликованы в 25 работах.

Объем и структура диссертации.

Работа изложена на 169 машинописных листах, состоит из введения, трех глав и заключения, а также содержит 85 рисунков и 16 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 70 наименований.

Содержание работы.

Первая глава диссертации посвящена вопросам проведения экспериментальных исследований основных сверхпроводящих и электрофизических характеристик коротких образцов обмоточных сверхпроводников, используемых при создании CMC, включая ЭМС ИТЭР. В общем случае исследованиям подлежат:

— критическая плотность тока и магнитные свойства в диапазоне рабочих температур и деформаций [31 — 33];

— запас стабильности по температуре [34−36];

— параметры распространения нормальной зоны [37, 38];

— потери энергии в изменяющемся во времени магнитном поле [39 — 42];

— распределение магнитного поля по сечению обмоточных сверхпроводников [43, 44].

Наряду с критическими характеристиками, потери энергии под воздействием изменяющегося во времени магнитного поля являются одним из важнейших факторов, влияющих на работоспособность сверхпроводника [1,5]. Выделяясь в сверхпроводящих обмотках в виде тепла, потери повышают тепловую нагрузку на криогенную систему CMC, увеличивая стоимость криогенного оборудования и снижая эффективность применения CMC в целом.

В первом разделе главы 1 рассматриваются вопросы создания и результаты использования установки для измерения потерь энергии в образцах обмоточных сверхпроводников.

В общем случае электромагнитные потери в изменяющемся во времени магнитном поле подразделяются на:

— гистерезисные потери, определяемые токами, протекающими только по сверхпроводящим волокнам;

— кооперативные потери, возникающие в нормально-проводящих материалах и сверхпроводящих волокнах вследствие перетекания токов между сверхпроводящими волокнами в стрендах, между стрендами или между субкабелями в обмоточном сверхпроводнике;

— потери на вихревые токи (токи Фуко), возникающие в нормальных металлах.

В рамках так называемой модели критического состояния [5, 54, 55] в случае, когда транспортный ток ниже критического 1с, электромагнитные потери возникают вследствие изменяющихся внешнего магнитного поля Во и (или) транспортного тока I. Величина потерь зависит как от конструкции сверхпроводящего провода, так и от характеристик Во и I, включая их ориентацию по отношению друг к другу и к характеристическим направлениям сверхпроводящего провода.

Характеристики сверхпроводников в терминах напряжённости электрического поля Е и плотности тока J (ВАХ) сугубо нелинейны и могут быть выражены как Е = Ес j Y.

Л >где:

Е0 — напряжённость электрического поля, соответствующая плотности тока J0- п — характеристика сверхпроводника. При этом п=1 соответствует нормально проводящим металлам.

Механические потери также могут быть подразделены на два типа:

— потери, возникающие вследствие трения внешней поверхности сверхпроводящего провода при его движении под действием электромагнитных сил;

— потери, возникающие внутри сверхпроводящего провода, вследствие трения или деформации стрендов.

Методы измерения потерь подробно описаны во многих работах, например в [39−42]. Обычно их подразделяют на калориметрические, электромагнитные и механические в соответствии с. видом измеряемой физической величины. Практическая реализация данных методов многообразна и зависит от конструктивных особенностей сверхпроводника и будущего сверхпроводящего устройства, целей и требуемой точности измерений и т. п.

Механические потери и методы не являются предметом рассмотрения представляемой работы.

Калориметрические методы, основанные на измерении теплофизических величин, в частности, на измерении массы испарившегося хладагента, являются наиболее прямым способом измерения потерь энергии, обеспечивающим высокую чувствительность и хорошую точность как для небольших образцов, так и для сверхпроводящих устройств в целом. К недостаткам калориметрических методов могут быть отнесены сложность оборудования и измерительного процесса.

Электромагнитные методы, основанные на измерении петель намагничивания образца за цикл изменения приложенного поля, обладают несомненно более высокой чувствительностью, что позволяет измерять потери даже в отдельно взятых стрендах, но требует решения ряда проблем, связанных с:

— необходимостью учитывать неинформативные составляющие измерительных сигналов, связанных с изменением внешнего или собственного магнитных полей;

— наличием сетевых и электромагнитных помех;

— определением точного соотношения между измеряемым параметром и значением потерь энергии, что, обычно, требует дополнительной калибровки. Обычный способ калибровки — использование эталонных образцов, потери в которых последовательно измеряются калориметрическим и электромагнитным способом. Данный подход требует дополнительных затрат на приобретение эталонных образцов и проведение калибровочных измерений.

В предметной части раздела 1 приведено описание методики и установки для измерения потерь энергии в изменяющемся магнитном поле в коротких образцах обмоточных сверхпроводников без транспортного тока двумя методами (калориметрическим и/или электромагнитным). Тем самым предпринята попытка объединить достоинства калориметрического и электромагнитного методов [41,42]. Построенная на основе 5-теслового дипольного магнита и стеклотекстолитового калориметрического объёма, установка была аттестована в рамках сравнительных испытаний и допущена без замечаний для измерений потерь энергии в коротких образцах обмоточных сверхпроводников ЭМС ИТЭР[56].

Среди многочисленных применений разработанных методики и аппаратуры следует упомянуть:

— установку для измерения гистерезисных потерь в образцах сврхпроводящих стрендов (рис. В-2а). Результаты, полученные в ходе сравнительных испытаний с участием Hitachi Cable, EM-LMI, IGC и ВНИИНМ позволили, как и в случае обмоточных сверхпроводников, сертифицировать установку в рамках проекта ИТЭР [57].

— измерение потерь энергии в коротких образцах ниобий-титанового обмоточного сверхпроводника для 100 МДж накопителя фирмы BWXT (США) [58];

Второй раздел главы 1 посвящён методикам и аппаратуре для оперативного регулирования температуры объектов в криогенном диапазоне температур.

В экспериментальной физике низких температур широко используются установки для термостабилизации образцов за счёт их теплового контакта с элементами установки, обладающих значительной теплоёмкой массой (например, с массивными медными блоками) [46−48]. При испытаниях образцов обмоточных сверхпроводящих проводов встаёт иная задача — обеспечение термодинамических условий для образца, моделирующих рабочие условия в реальных обмотках, включая моделирование динамических процессов теплообмена образца с конструкционными и охлаждающими элементами обмотки. В частности для проводов типа «кабель-в-оболочке» важно обеспечить стабилизацию температуры хладагента, подводимого к исследуемому участку образца. При этом требуется оперативно с заданной скоростью осуществлять управление температурой хладагента в охлаждающем канале образца в диапазоне 4,2 — 30 К для низкотемпературных сверхпроводников и в диапазоне 4,2 — 120 К и более для высокотемпературных.

Кроме моделирования термодинамических условий, требуется обеспечить пропускание по образцу испытательного тока и приложение к образцу постоянного или изменяющегося во времени испытательного магнитного поля. В случае, если токоподводы, их контактные соединения с образцом и сверхпроводящие обмотки, создающие сильные испытательные магнитные поля охлаждаются погружением в жидкий гелий, встаёт задача теплоизоляции исследуемого участка образца от жидкого гелия в испытательном криостате.

В предметной части раздела 2 приведено описание разработанных с участием автора методики и лабораторной установки для оперативного регулирования и стабилизации температуры образцов в среде газообразного и сверхкритического гелия в диапазоне 4,2 — 300 К. Отличительная особенность установки — использование нагревателей и системы автоматического управления их мощностью. Данная методика и реализующая её аппаратура были отработаны в ходе калибровки криогенных термометров сопротивления типа ТВО-ОД25 [49]. Откалиброванные с её помощью термометры использованы в системе диагностики КВПТО [50].

Дальнейшее развитие методика получила при создании системы регулирования температуры образцов сверхпроводящих проводов типа «кабель-в-оболочке», охлаждаемых потоком сверхкритического гелия, и, одновременно, находящихся в жидком гелии из-за, например, «погружного» типа магнитных систем, используемых в испытаниях. Главная особенность системы — «активная» теплоизоляция исследуемой части образца от жидкого гелия. В основе конструкции — негерметичный теплоизоляционный кожух и нагреватель, расположенный на поверхности образца. Мощность, выделяющаяся на нагревателе, приводит к образованию в зазорах между образцом и кожухом газообразного гелия, обеспечивающего дополнительную теплоизоляцию.

Данная система была с успехом применена при испытаниях образца сверхпроводящего провода для индуктивного накопителя энергоёмкостью 100 МДж, проведённых по заказу американской фирмы BWXT [51]. Аналогичные подходы к регулированию температуры провода, охлаждаемого потоком однофазного гелия, были использованы, также, в ходе испытаний КВПТО на международном стенде JAERI [52, 53].

Вторая глава диссертации посвящена разработке программы и проведению испытаний российской КВПТО ИТЭР (рис. В-26) [21,22] в составе МКЦС на международном стенде JAERI (г. Нака, Япония) [24].

КВПТО была сконструирована в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, головной организации проекта, для испытаний полномасштабного ниобий-оловянного провода тороидальной обмотки ИТЭР в рабочих условиях, соответствующих зоне максимального поля, расположенной в области внутренней опоры тороидальных катушек ИТЭР.

Для создания КВПТО потребовалось объединить усилия отечественных научных и производственных организаций, обеспечивших поставку сверхпроводящих ниобий-оловянных стрендов с соответствующими сертификатами и регламентом отжига (ВНИИНМ им. Академика Бочвара А. А., Москва) [14]- изготовление и намотку в спираль 43- метрового провода типа «кабель в оболочке» (ВНИИКП, Москва) [15]- изготовление силового каркаса КВПТО (АО «Ижорские заводы», Санкт-Петербург) [22, 53].

Успешное изготовление КВПТО подтвердило применимость разработанной с участием автора технологии для изготовления обмоток ЭМС ИТЭР, использующих провод в тонкостенной цилиндрической оболочке. При дальнейшем развитии данная технология может быть использована для изготовления крупномасштабных CMC, включая сверхпроводящие индуктивные накопители энергии [25, 26].

Процесс подготовки и проведения испытаний КВПТО может быть разделён на два основных этапа:

• Подготовку испытаний КВПТО на стенде JAERI, включая создание базы данных исходных стрендов, провода и конструктивных материалов, использованных при изготовлении КВПТОпредварительные расчеты режимов испытаний и т. п.

• Проведение испытаний и создание базы экспериментальных данных для последующего анализа.

Первый раздел второй главы посвящён подготовке испытаний КВПТО, включая:

1) Разработку Программы испытаний КВПТО, как части Программы испытаний МКЦС ИТЭР [50].

До момента начала первых испытаний на стенде JAERI с 1996 по 2000 год было выпущено пять последовательно развивающихся версий Программы испытаний КВПТО, охватывающих все аспекты предстоящих испытаний.

Разработанная в рамках программы испытаний схема диагностики КВПТО была нацелена на исследование токонесущей способности провода путём измерения переходных вольт-амперных (ВАХ) и вольт-температурных характеристик (ВТХ) при постоянной величине внешнего магнитного поля.

В отличие от МКЦС и других модельных катушек. ИТЭР, практически не имевших диагностики на отдельных витках обмоток из-за на порядок более высоких (10 кВ против 1 кВ) требований к витковой высоковольтной изоляции, схема диагностики КВПТО содержала набор датчиков, расположенных по длине провода КВПТО на поверхности титановой оболочки. В состав диагностики входили термометры сопротивления на основе углеродной композиции типа ТВО-ОД25, потенциальные концы, круговые измерительные катушки, а также индукционный и омический нагреватели.

Разработанная методика установки термометров типа ТВО-ОД25 предусматривала размещение датчиков на первом полиимидном слое изоляции провода КВПТО толщиной 0,25 мм. Последующие слои из стеклоленты, пропитанные компаундом горячего отверждения, обеспечивали механическое крепление и защиту термометров от. электрического напряжения до 1кВ. Аналогичным способом была осуществлена установка остальной диагностики.

В общей сложности пять витков обмотки КВПТО были оснащены термометрами и потенциальными концами, что дало возможность проводить сравнительный анализ ВАХ и ВТХ различных участков провода КВПТО.

На этапе разработки программы испытаний в дополнение к измерительным датчикам предполагалось оснастить КВПТО диагностикой для обнаружения перехода сверхпроводника в резистивное состояние. Одним из признаков начала подобного перехода являются интенсивные тепловыделения в ограниченном участке кабельной скрутки, приводящие к быстрому повышению температуры стрендов и хладагента. Обнаружение места перехода обычными термометрами, установленными, например, на внешней поверхности оболочки провода, требует большого количества датчиков и отличается временной задержкой, снижающей эффективность системы обнаружения. Поэтому для КВПТО была разработана методика измерения распределения температуры по длине кабельной скрутки, основанная на применении оптоволоконного кабеля, расположенного непосредственно в канале охлаждения провода.

2) Предварительную калибровку и установку диагностических средств, включая термометры типа TBO-O, 125, потенциальные концы, круговые измерительные катушки, индукционный и омический нагреватели, тензодатчики.

Предварительная калибровка термометров по температуре была проведена в НИИЭФА с использованием вышеупомянутой установки. В ходе испытаний на стенде JAERI была проведена дополнительная калибровка термометров по магнитному полю с подготовкой обобщающих полиномов Т= f (R, В), где Т и R — температура и сопротивление термометра, В магнитное поле МКЦС.

3) Согласование с персоналом стенда JAERI перечня датчиков давления, температуры и расхода, входящих в состав диагностики стенда и используемых входе испытаний КВПТО. Установка на КВПТО датчиков акустической эмиссии, используемых совместно с представителями японского Национального Института Современной Промышленной науки и Технологии (AIST, Tsukuba, Япония).

Во втором разделе второй главы представлены описания и результаты использования ряда методик для измерения технических характеристик обмоточного сверхпроводника КВПТО, включая:

1) Методика испытаний КВПТО на максимальные рабочие параметры.

Методика предусматривала создание для проводника КВПТО условий испытаний по магнитному полю (13 Тл) и продольной деформации (0,25%), соответствующих наиболее напряжённым условиям работы обмоточного сверхпроводника тороидальной обмотки ИТЭР. Рабочие токи МКЦС 45,2 кА и КВПТО 46 кА были выбраны как обеспечивающие максимальное магнитное поле 13 Тл на среднем витке спирали в ближней к центру части поперечного сечения провода КВПТО.

Предварительно пять последовательных заведений тока в КВПТО с постепенным увеличением амплитуды до 46 кА были произведены в отсутствии магнитного поля МКЦС. В течении следующих пяти заведений с одновременным увеличением тока КВПТО и магнитного поля МКЦС были достигнуты максимальные параметры 46 кА в поле 13 Тл.

2) Методика измерения гидравлических характеристик провода КВПТО.

Для измерения гидравлических характеристик провода КВПТО были использованы термометры, датчики давления и расходомеры, установленные на входе и выходе КВПТО, а также дифференциальный датчик давления, измерявший разницу давлений между входом и выходом.

Методика предусматривала измерение зависимостей перепада давления между входом и выходом провода КВПТО от входного и выходного расхода.

В результате измерений обнаружено изменение перепада давления по длине провода КВПТО, измеренного до и после электромагнитного нагружения провода КВПТО.

3) Методика измерения токонесущей способности провода КВПТО измерение температуры деления тока Tcs и критического тока 1с).

Исследования токонесущей способности провода КВПТО были проведены посредством снятия переходных ВАХ или ВТХ характеристик в квазистационарных условиях, то есть при постоянной величине внешнего магнитного поля МКЦС и постоянных (или медленно меняющихся) значениях рабочего тока и температуры провода КВПТО.

Методика предусматривала измерение Tcs путём медленного (2 К/час) увеличения температуры закритического гелия в канале охлаждения провода КВПТО, несущего постоянный ток.

Измерение 1с предполагалось проводить путём медленного (10 А/с) увеличения тока при постоянной входной температуре закритического гелия в канале охлаждения провода КВПТО.

Испытательные значения магнитного поля и тока КВПТО определялись по режимам испытаний исходных стрендов, предоставленных ВНИИНМ им. А. А. Бочвара. В ходе испытаний КВПТО было проведено четырнадцать измерений Tcs и одно измерение 1с в режимах с магнитным полем 0- 5- 11,4 и 12 Тл и током КВПТО 0,6- 17,4−17,6 и 46 кА. Значения Tcs и 1с определялись на уровнях напряжений по длине провода КВПТО Ес=0,1- 0,3 и 0,5 мкВ/см и магнитного поля, соответствующего исследуемому витку КВПТО.

Как и в МКЦС, во всех режимах испытаний КВПТО измеренные значения температуры деления тока Tcs провода оказались ниже Tcs, определённого из характеристик исходных стрендов.

4) Методика циклических испытаний КВПТО.

Исследования влияния циклических электромагнитных нагрузок на поведение обмоточного сверхпроводника КВПТО предусматривали следующие режимы испытаний:

— 1000 14 кА циклов в поле МКЦС 12 Тл со скоростью 300 кА/с;

— 1000 36 кА циклов в поле 12 Тл;

— 2 защитных вывода энергии с 1 с и 5 с задержкой, инициируемых с помощью индуктивного нагревателя;

— 2 дополнительных защитных вывода энергии с 1 с и 7 с задержкой.

В ходе испытаний характеристики провода, включая Tcs, практически не изменились.

Третья глава диссертации посвящена разработке и применению методик послеиспытательного контроля в сопоставлении с результатами её испытаний на стенде JAERI.

Послеиспытательный контроль был проведён в НИИЭФА после возврата КВПТО из JAERI (Япония) с целью проверки состояния основных элементов конструкции КВПТО и выявления причин снижения критических характеристик обмоточного сверхпроводника.

На первом этапе с помощью методов неоазрушаюшего контроля, включающих радиационную интроскопию, радиографический контроль, цветную дефектоскопию и ультразвуковой контроль, была подтверждена целостность и соответствие техническим спецификациям основных конструктивных элементов КВПТО (провод и изоляция обмотки, силовой каркас, контактные наконечники и т. д.).

Следующим этапом была произведена последовательная разборка КВПТО, включая резку обмотки на секции, извлечение элементов кабельной скрутки и подготовку поперечных сечений провода КВПТО.

В ходе послеиспытательного контроля были обнаружены многочисленные механические повреждения стрендов и изменение структуры кабельной скрутки под оболочкой провода КВПТО. В сумме каждый метр длины провода КВПТО содержал примерно 1500 дефектов, способных повлиять на критические характеристики стрендов.

Обнаруженные факты хорошо согласуются с данными об изменении гидравлических и сверхпроводящих характеристик провода КВПТО, приведёнными в главе 2.

В заключении формулируются основные итоги работы. Главный выводрешенные в диссертации задачи имеют существенное значение для развития техники и технологии CMC термоядерных энергетических установок. Полученные результаты испытаний КВПТО были использованы при составлении новых проектных спецификаций на стренды и сверхпроводящие провода ЭМС ИТЭР.

Общие выводы.

По тексту диссертации, практически после каждого важного раздела, сделаны короткие обобщающие заключения по изложенному материалу. Ниже приведены некоторые общие выводы по проделанной работе.

— Созданы методическое и аппаратное обеспечение криогенного стенда для исследования образцов обмоточных проводников крупных CMC, включая ЭМС ИТЭР. Установка для измерения потерь энергии была сертифицирована без замечаний в рамках проекта ИТЭР. Методика регулирования температуры может быть применена для испытаний образцов высокотемпературных сверхпроводников.

— Разработана и реализована на практике Программа испытаний КВПТО ИТЭР в составе МКЦС на международном испытательном стенде JAERI. Результаты испытаний:

• показали полное соответствие обмоточного сверхпроводника и контактов КВПТО техническим спецификациям ИТЭРподтвердили на. практике применимость: методик.для. диагностирования крупномасштабных обмоток CMC, включая ЭМС ИТЭР;

• выявили неизвестные ранее факторы, которые необходимо учитывать при проектировании сверхпроводящих проводов типа «кабель-в-оболочке».

— Разработаны и реализованы на практике методики послеиспытательного контроля состояния основных элементов конструкции КВПТО, методами неразрушающего контроля и последовательной разборки/резки с исследованием поперечных и продольных сечений обмоточного сверхпроводника CMC.

Решенные в диссертации задачи имеют существенное значение для развития техники и технологии сверхпроводящих магнитных систем термоядерных энергетических установок. Полученные результаты испытаний КВПТО были использованы при составлении новых проектных спецификаций на стренды и сверхпроводящие провода ЭМС ИТЭР.

Заключение

.

В заключение автор считает своей приятной обязанностью и долгом выразить глубокую и сердечную благодарность:

Своим учителям и руководителям:

— В. А. Глухих, под руководством которого в НИИЭФА были созданы возможности для развития идей и осуществления проектов, ставших основой данной диссертации;

— покойному НА. Моносзону — первому научному руководителю работ, проведённых автором в рамках данной диссертации;

— покойному Г. В. Трохачёву, который первым направил внимание автора на вопросы исследования потерь энергии в сверхпроводниках в переменном магнитном поле и стоял у истоков создания криогенных исследовательских стендов НИИЭФА;

— М. В. Желамскому, под руководством которого автором были сделаны первые шаги в области экспериментального изучения свойств сверхпроводников, создания установок для проведения экспериментов, а также разработки конструкции и технологии изготовления сверхпроводящих магнитных систем;

— С. А. Егорову, многолетнему научному руководителю большинства работ автора, нашедших отражение в данной диссертацииидейному вдохновителю развития в НИИЭФА опытно-промышленной и экспериментальной базы для создания и испытаний крупных CMC, включая КВПТО. Его неоценимая поддержка и полезнейшие дискуссии стали основой большинства идей, использованных в настоящей диссертации;

— В. А. Белякову, научному консультанту диссертационной работы, чьи полезные советы и постоянное организующее начало, позволили автору завершить многолетние работы, ставшие основой данной диссертации;

— О. Г. Филатову и Ю. Н. Некрылову, руководство которых обеспечило возможность проведения всех крупномасштабных работ, проводимых автором в рамках данной диссертации;

Командам и персоналиям, с которыми автор имел счастливую возможность работать в России и в других странах:

— Большой и дружной команде, обеспечившей создание Катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР. Автор бесконечно благодарен В. П. Муратову, Э. Н. Бондарчуку, В. А. Крылову,.

B.Г. Кучинскому, Г. Л. Саксаганскому, В. И. Перегуду, Ю. А. Константинову,.

C.Е. Сычевскому, В. И. Васильеву, А. А. Малкову, A.M. Тюрикову, И. В. Мазулю и всем кто работал под их началом.

— Всем сотрудникам Отдела № 12 ВНИИКП и особенно В. Е. Сытникову за совместные работы по исследованию образцов сверхпроводящих проводов и созданию КВПТО, а также постоянную поддержку и полезные советы.

— Сотрудникам ВНИИНМ им. А. А. Бочвара и в особенности А. К. Шикову, В. И. Панцирному, А. Е. Воробьёвой, Е. А. Дергуновой и Н. С. Грязнову за неоценимую помощь в работах, связанных с КВПТО, поддержку и продолжающуюся дружбу.

— Персоналу стенда JAERI и особенно Okuno К., Kato Т., Sugimoto М., IsonoT., KawanoK., Koizumi N., NakajimaN., NunoyaY., TsujiH., Takahashi Y., — чьи многомесячные усилия позволили достичь столь впечатляющих результатов испытания КВПТО.

— Н. Мартовецкому, К. Хамаде и Е. Запретилиной за постоянную поддержку и обмен идеями в ходе испытаний КВПТО на стенде JAERI и последующей обработки данных.

Особую благодарность автор хочет выразить всему персоналу отдела Сверхпроводящих Магнитных Систем НИИЭФА без чьих творческих, интеллектуальных и физических усилий не могло идти речи о написании данной работы.