КРУПНОМАСШТАБНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ В ОБЛАСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ И УТС О. Г. Филатов, генеральный Директор ФГУП «НИИЭФА им. Д. В. Ефремова» О. Г. Филатов г. Санкт-Петербург
Сверхпроводимость как физическое явление открыта в 1911 г. Фундаментальная наука 1 объяснила природу этого явления к 1957 г. Техническая сверхпроводимость как направление магнитной технологии 2), прикладная наука и отрасль промышленности, охватывающая производство сверхпроводящих материалов, сверхпроводниковой и специализированной криогенной техники, развивается с получения в 1957 -1963 г. г. сверхпроводников, способных нести сильные токи в сильных магнитных полях. Применение сверхпроводников позволяет радикально снизить энергозатраты на создание сильных магнитных полей в больших рабочих объемах и повысить конструктивную плотность тока в обмотках электромагнитных систем (ЭМС). В области экспериментальной физики высоких энергий и по проблеме УТС применение сверхпроводников является безальтернативным условием дальнейшего прогресса. 1 Феноменологическая теория Гинзбурга-Ландау-Абрикосова-Горькова (теория ГЛАГ) [1 -1] и квантовомеханическая теория Бардина-Купера-Шриффера (теория БКШ) [1 -2]. 2) Другими областями применения сверхпроводимости являются криоэлектроника, СВЧ-техника, кабельные линии электропередач и оборудование электроэнергетических подстанций.
В России наряду с разработкой исследовательских нормально проводящих термоядерных установок различных типов с конца 60‑х годов были развернуты работы по созданию сверхпроводящих токамаков. Первый в мире токамак с обмоткой тороидального поля (ОТП) из Nb. Ti сверхпроводников – установка Т‑ 7, – создан в Курчатовском институте (РНЦ «КИ» ) в 1974‑ 1978 г. г. Там же в конце 80‑х годов запущен в эксплуатацию спроектированный в НИИЭФА при научном руководстве РНЦ «КИ» токамак Т‑ 15. Его ОТП остается крупнейшей из изготовленных с применением Nb 3 Sn сверхпроводников с высоким критическим полем. Т‑ 7: W=20 МДж; I=6 к. А; В=5 Тл Т‑ 15: W=640 -800 МДж; I=4, 55 к. А; В=8, 4 -9, 3 Тл
Параллельно с созданием Т‑ 15 ведущими научными организациями и промышленными фирмами из США, Европейского сообщества и Японии была реализована программа «больших катушек» (LCT) по выбору конструкции и сравнению отдельных катушек ОТП с различными вариантами обмоточных сверхпроводников и способов их охлаждения, в Японии был создан токамак TRIAM с погружным охлаждением Nb 3 Sn сверхпроводников, а во Франции сооружен токамак TORE SUPRA с ОТП из Nb. Ti сверхпроводников, охлаждаемых сверхтекучим гелием. ТORE SUPRA: EAST: W=600 МДж; I=1, 4 к. А; В=9 Тл W=380 МДж; I=14, 5 к. А; В=3, 8 Тл
Исследования на созданных установках и проработка проектов токамаков следующего поколения (в России – ОТР, в Европе – NET, в США – TIB ER, в Японии – FER, и на международном уровне – ИНТОР) позволили к середине 80‑х годов наметить контуры физической и инженерной концепции реактора для промышленной термоядерной электростанции и поставить задачу демонстрации научной и технической осуществимости термоядерной энергетики – создать на основе межправительственных соглашений международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР с длительным горением плазмы в установившемся режиме и выработкой энергии, превышающей собственное потребление. Обмотки его сверхпроводящей (СП) ЭМС с размерами и запасом энергии W намного большими, чем у предшествующих токамаков, должны работать в условиях циклического воздействия электромагнитных сил и нестационарных магнитных полей с индукцией до 12‑ 13 Тл, изменяющихся во времени со скоростью до 1‑ 2 Тл/с. Они должны быть рассчитаны на электрическое напряжение 10‑ 15 к. В, развивающееся при нормальной работе и защитном выводе энергии из СП ЭМС. Для ограничения этого напряжения рабочий ток в обмоточных сверхпроводниках должен составлять 40‑ 70 к. А, что на порядок превышает достигнутый в сверхпроводящих токамаках первого поколения. Контуры средних витков катушек ОТП первых сверхпроводящих токамаков Т‑ 7, Т‑ 15, Tore Supra и токамака ИТЭР
СП ЭМС ИТЭР состоит из центрального соленоида (ЦС), составленного из 6 цилиндрических модулей; 18 катушек, образующих обмотку тороидального поля (ОТП); 6 катушек обмотки полоидального поля (ОПП) и 9 пар корректирующих катушек (КК). Криогенные токовводы катушек выполнены с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), вынесены в область слабого магнитного поля и соединяются с катушками СП ЭМС сверхпроводящими фидерами. Система водоохлаждаемых алюминиевых токоведущих шин соединяет токовводы катушек с системой электропитания и защиты СП ЭМС.
Проводники ИТЭР разработаны международной коллаборацией в результате комплексных НИОКР 1987‑ 2006 г. г. Конструкция проводников выбрана в ориентации на применение предложенных для ИТЭР (1) метода заволакивания кабеля в оболочку, (2) намотки катушек гибкой проводника в вальцах и (3) технологии «намотка-отжигизолировка-переукладка» для изготовления Nb 3 Sn катушек. Разработка этих технологий, создание реализующего их промышленного оборудования и его апробация при изготовлении модельных катушек ИТЭР, наряду с разработкой и освоением промышленного выпуска сверхпроводящих стренд с повышенными характеристиками определяют современный уровень развития технологии СП ЭМС для токамаков. Обмоточные сверхпроводники ИТЭР
В основе технологии низкотемпературных обмоточных сверхпроводников для ЭМС лежит производство базовых металлокомпозитных проводов (стрендов). В них большое число тонких сверхпроводящих волокон (СПВ) заключено в нормально проводящую матрицу. В 70‑х – 80‑х годах отечественная научно-производственная база по разработке и выпуску СП стрендов обеспечивала имевшиеся потребности в сверхпроводящих материалах. К достижениям того периода относятся изготовление стрендов для токамаков Т‑ 7, Т‑ 15, Ускорительно-накопительного комплекса (УНК) и широкого круга устройств с постоянными и переменными магнитными полями. В 90‑х годах объем выпуска стрендов в России сократился до возможностей опытного производства ВНИИНМ им. А. А. Бочвара (1‑ 2 т/год). Но работы по совершенствованию конструкций и технологии стрендов во ВНИИНМ продолжались благодаря высочайшему научному потенциалу коллектива этого предприятия, что и позволило выйти на проектные плотности критического тока 2500 А/мм 2@5 Тл для Nb. Ti и 850 А/мм 2 (бронзовая технология); >1000 А/мм 2 (внутренний источник олова). Для дальнейшего развития технической сверхпроводимости и прежде всего выполнения международных обязательств России по проекту ИТЭР весной 2009 г. в ОАО «Чепецкий механический завод» ( «ЧМЗ» ) корпорации «ТВЭЛ» введены в строй современные мощности по производству более 100 т/год Nb. Ti и Nb 3 Sn стрендов нового поколения. Цех волочения и термообработки стрендов на ОАО «ЧМЗ» корпорации «ТВЭЛ»
Важный вклад в разработку конструкции и технологии сильноточных обмоточных сверхпроводников типа «кабель-в-оболочке» и создание отечественной производственной базы для их промышленного выпуска внес ОАО «ВНИИ кабельной промышленности (ВНИИКП)» . Следует отметить, что помимо выполнения обязательств РФ по ИТЭР важным направлением разработок ВНИИКП является создание силовых кабельных линий на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) для электроэнергетики. Вклады участников проекта ИТЭР в поставку сильноточных обмоточных сверхпроводников для ЭМС (%)
Опыт, полученный ВНИИКП при создании и эксплуатации опытно-промышленной линии для заключения сильноточных кабелей в оболочку, используется всеми странами-участницами проекта ИТЭР при создании промышленных линий для выпуска проводников ИТЭР в России, Японии, Китае. Отечественная промышленная линия перенесена в ИФВЭ и сдана в эксплуатацию. Российская промышленная линия для заключения сверхпроводящих кабелей в оболочки. Вид снаружи на ангар и рольганг и изнутри ангара на технологическую зону линии
На стадии технического проекта (Engineering Design Activity – EDA), начиная с 1993 г. , перед разработчиками ИТЭР встала задача опытно-промышленного освоения новых конструкций и технологий, необходимых для создания магнитной системы ИТЭР, их экспериментальной проверки на достаточно представительных прототипах и моделях и доработки до уровня, позволяющего перейти к рабочему проектированию и сооружению ИТЭР. С этой целью в России, США, Японии и Европейском сообществе были развернуты работы по сооружению и испытаниям Модельной Катушки Центрального Соленоида (МКЦС), Модельных Катушек-вставок с Проводником Центрального Соленоида (КВПЦС) и Проводником Тороидальной Обмотки ИТЭР (КВПТО), и Модельной Катушки Тороидального Поля (МКТП). Эти проекты объединили отдельные программы по разработке обмоточных сверхпроводников магнитной системы ИТЭР, их электрических контактных соединений, криогенных токовых вводов, конструкционной стали силовой структуры, электроизоляции, систем диагностики и защиты, технологии изготовления обмоток магнитной системы ИТЭР в комплексе. Выбранный масштаб МКЦС (запас энергии 640 МДж), катушек-вставок и МКТП (запас энергии 80 МДж) являлся минимально необходимым для испытания проводников ИТЭР в условиях, соответствующих напряженно-деформированному состоянию, электромагнитным и термогидравлическим режимам работы в магнитной системе ИТЭР.
Главной испытательной базой для МКЦС являлся международный испытательный стенд, созданный на территории Японского исследовательского института атомной энергии (JAERI). Модельная катушка центрального соленоида (МКЦС) ИТЭР Наружный модуль МКЦС (Япония) Внешний вид МКЦС в сборе без капки криостата Внутренний модуль МКЦС (США) Составные части МКЦС до сборки КВПЦС (Япония)
Изготовленная в России КВПТО представляла собой однослойный соленоид, предназначенный для испытаний в МКЦС ниобий-оловянного проводника тороидальной обмотки ИТЭР. Монтаж КВПТО на испытательном стенде ИТЭР в Японии
КВПТО создана кооперацией отечественных предприятий во главе с ФГУП «НИИЭФА им. Д. В. Ефремова» , который выполнил разработку конструкции, термообработку, изолировку, переукладку в силовой каркас и окончательную сборку КВПТО. Разработку и изготовление Nb 3 Sn композитных стренд, разработку регламента термообработки КВПТО, технологии изготовления её контактных терминалов обеспечил ФГУП «ВНИИНМ им. А. А. Бочвара» , Москва. Разработку технологии изготовления и намотку в спираль обмоточного провода КВПТО типа «кабель-в-оболочке» выполнил ОАО «ВНИИКП» , Москва. Стальной каркас КВПТО изготовлен в ОАО «Ижорские заводы» , Санкт-Петербург.
МКТП моделирует конструктивную форму, структуру, технологию и рабочие условия одной из 18 катушек ОТП СП ЭМС ИТЭР, но имеет не «D-образную» , а рейстрековую конфигурацию и уменьшенные размеры. МКТП спроектирована и изготовлена консорциумом AGAN (Accel, Alstom, Ansaldo, Noell) под научным руководством EFDA-CSU cо стороны EURATOM. Монтаж сборки МКТП-катушки LCT в криостате стенда TOSKA (общий вес 115 т)
Результаты испытаний МКЦС и МКТО в сравнении с результатами ранее сооружённых крупных СП ЭМС Испытания МКЦС, основных катушек-вставок и МКТО завершены в 2002 г. Достигнуты следующие проектные параметры: • в МКЦС и катушках-вставках: 46 к. А в постоянном магнитном поле с индукцией 13 Тл, а также при нарастании тока и поля 0 13 Тл со скоростью 0, 6 Тл/с и при спаде тока и поля 13 Тл 0 со скоростью – 1, 2 Тл/с; • в МКТО: 70 к. А при максимальном поле 8 Тл и 80 к. А в поле 9, 8 Тл. Тем самым установлены рекорды для стационарных и импульсных СП ЭМС термоядерных установок.
В результате работ 1987‑ 2006 г. по проекту ИТЭР в мире создана расчетно-проектная и производственно-технологическая база для сооружения нового класса СП ЭМС на основе Nb. Ti и Nb 3 Sn сверхпроводников для термоядерных реакторов способных вырабатывать энергию, превышающую собственное потребление. В России создано, запущено в эксплуатацию и апробировано производство сильноточных обмоточных проводников типа «кабель-в-оболочке» , располагаемое на территории трех следующих предприятий Расчетно-проектная база СП ЭМС токамаков нового поколения, включая современные методы трехмерного проектирования и комплексного компьютерного моделирования НДС, электромагнитных и термо-гидравлических процессов в России сосредоточена в основном в НИИЭФА
Детектор АTLAS ускорителя LHC Сборка СП галет тороида
Детектор CMS ускорителя LHC СП соленоид Апертура 6 м Длина 12, 5 м Поле на оси 4 Тл Nb. Ti кабель со стабилизатором из чистого Al, армированного высокопрочным Al сплавом по торцам
Дипольные и квадрупольные магниты ускорителя LHC 1234 двойных диполей длиной 15 м 392 квадруполя длиной 5 м Поле 8, 7 Тл@1, 8 К
Сверхпроводящие термоядерные установки 21
Токамак, стеллатор, гелиотрон Heliotron LHD Super-conducting Coils Tokamak Current plasma Сооружаемый стеллатор Вендельштайн 7 -X Nb. Ti, CICC в Al оболочке 20 к. А @ 6 Тл 22 Одна из катушек производства ANSALDO при испытаниях в FZ
The Large Helical Device (LHD) Наружный диаметр 13, 5 м Большой радиус плазмы 3, 9 м Малый радиус плазмы 0, 6 м Объем плазмы 30 м 3 Магнитное поле 3 Tл Общий вес 1500 тонн Рефрижератор 20, 6 к. Вт@40 -80 К Ожижитель 5, 67 к. Вт@4, 4 К Запас энергии ~1 ГДж Холодная масса 850 тонн 23 Допуск на размеры < 2 мм
The Large Helical Device (LHD) 1990 -1997 г. г. первая плазма – 1998 г. Геликоидальная обмотка: Nb. Ti погружное охлаждение 4, 5 К; 920 МДж; 6, 9 Тл; 13 к. А Полоидальная обмотка: циркуляционное охлаждение 4, 5 К; 846 МДж; 6, 5 Тл; 21 -31 к. А 592 витка в 3 катушках по 16 галет в каждой Nb. Ti CICC длиной 11, 4 км 24
Сверхпроводящие шинопроводы питания катушек LHD Рефрижератор LHD Источник питания Сверхпроводящие шинопроводы Nb. Ti сверхпроводник Охлаждение – двухфазный Не Макс. ток : 32 k. A@5 к. В Макс. мощность: 160 MВт Общая длина : 497 м 9 линий по 55 м каждая GHe 80 K 2 ф. Не возврат 2 ф. Не снабжение вакуум 220 мм 25
JT-60 Super Up-grade (ITER-BA) Проводник катушек равновесия SUS 316 L 26 4/
EAST (Китай) Courtesy of ASIPP • Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui • Сверхпроводник 14, 5 к. А@5, 8 Тл – TF: Nb. Ti CICC – PF: Nb. Ti CICC • Использованы стренды УНК производства РФ • общим весом 17 тонн R = 1. 7 m, a = 0. 4 m, B = 3. 5 T Plasma : 1 MA, 1, 000 s Запас энергии 380 МДж 27
Korea Superconducting Tokamak Advance Research - KSTAR Courtesy of NFRI • National Fusion Research Institute, Daejeon, Korea • Сверхпроводник на 35 к. А – TF: Nb 3 Sn CICC – PF: Nb. Ti CICC • R = 18 м, a = 0, 5 m, B = 3, 5 T (на плазме) • Plasma : 2 MA, 300 s • Запас энергии 670 МДж 28
Courtesy of IPR SST-1 § Institute for Plasma Research (IPR) Bhat, Gandhinagar, India § Superconductors – TF : Nb. Ti CICC – PF : Nb. Ti CICC TF Coil § R = 1. 1 m, a = 0. 2 m, B = 3 T § Plasma : 220 к. A, 1000 с § Запас энергии: 74 МДж 29 Assembly of Double pancakes TF Coil
Разработка of Helical Demo Reactor на основе LHD Project Tokamak Experimental Reactor ITER LHD-type Helical Reactor FFHR Electric Power ~1 GW Weight ~25, 000 ton Magnetic Field ~6 T Helical Demo Rector (27 years to go) Physics of burning plasmas LHD Demonstration of steady-state, highdensity, high-beta by netcurrent free plasma Basic Science Multi-layer models covering physics and engineering LHD-NT LHD Numerical Test Reactor 30
Проработки LHD-type Fusion Energy Reactor FFHR (Япония) Проектные параметры FFHR Большой радиус 14 -18 м Малый радиус HC 3 -4 м Магнитное поле 6 -4 Tл Макс. поле < 13 Tл Запасенная энергия ~150 ГДж Ток в проводнике ~100 к. A Options for SC Materials Options for Conductor Type and Cooling Method LTS Nb 3 Sn, Nb 3 Al, V 3 Ga CICC (force-cooled) LTS (1 st Option) HTS REBCO Solid (indirectly cooled) LTS (2 nd Option) HTS (3 rd Option) 31
Concept of HC Winding with CICC (1) Technology based on ITER project (2) Five parallel layer winding to minimize cooling length (3) Wound into the grooves in internal plates with insulation 32
Helical Coils with Indirect Cooling Concept 10 k. A @13 T class Nb 3 Sn conductor Helical coil 33
Proposed HTS Conductor for FFHR (Япония) Major Specifications of HTS Conductor Superconductor Conductor size Operation current Maximum field Operation temperature Current density Number of HTS tapes Bending strain Maximum hoop stress Cabling method Outer jacket Cooling method REBCO 66 mm × 40 mm 100 k. A ~ 13 T 20 ~ 30 K ~ 40 A/mm 2 < 100 ~ 0. 4 % (Conductor) ~ 0. 05 % (HTS part) ~ 370 MPa Simple-stacking Stainless-steel Indirect-cooling 34
35
Скачать презентацию КРУПНОМАСШТАБНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ В ОБЛАСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
Презантация Филатова ОГ_20-11-2011.ppt