СИСТЕМА ИНИЦИИРОВАНИЯ НАРУШЕНИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ ВТСП-МАГНИТА Российский патент 2022 года по МПК H01L39/16 H01L39/20 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к сверхпроводящим устройствам. Более конкретно, изобретение относится к способам и аппаратуре для защиты от нарушения сверхпроводимости в таких устройствах, и особенно в магнитах для применения в термоядерных реакторах.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сверхпроводящий магнит представляет собой электромагнит, образованный из обмоток сверхпроводящего материала. Поскольку обмотки магнита имеют нулевое сопротивление, сверхпроводящие магниты могут нести большие токи с нулевыми потерями (хотя будут некоторые потери из-за несверхпроводящих компонентов) и поэтому могут достигать полей высоких напряженностей с меньшими потерями, чем обычные электромагниты.

Сверхпроводимость возникает лишь в определенных материалах и только при низких температурах. Сверхпроводящий материал будет вести себя как сверхпроводник в области, определяемой критической температурой сверхпроводника (наивысшая температура, при которой материал является сверхпроводником в нулевом приложенном магнитном поле) и критическим полем сверхпроводника (наибольшее магнитное поле, в котором материал является сверхпроводником при 0 К). Температура сверхпроводника и имеющееся магнитное поле ограничивают ток, который может передаваться сверхпроводником без того, чтобы сверхпроводник становился резистивным (или «нормальным», причем этот термин используется здесь в значении «несверхпроводящий»). Существует два типа сверхпроводящего материала: сверхпроводники I рода полностью исключают проникновение магнитного потока и имеют низкое критическое поле, а сверхпроводники II рода позволяют магнитному потоку проникать через сверхпроводник выше нижнего критического поля в пределах локализованных нормальных областей, называемых вихрями потока. Они перестают быть сверхпроводящими при верхнем критическом поле. Эта особенность позволяет использовать их в проводах для создания сверхпроводящих магнитов. Прилагаются значительные усилия, чтобы «прицепить» вихревые участки потока к атомной решетке, что улучшает критический ток при более высоких магнитных полях и температурах.

Сверхпроводящие материалы обычно подразделяются на «высокотемпературные сверхпроводники» (ВТСП) и «низкотемпературные сверхпроводники» (НТСП). НТСП, такие как Nb и NbTi, представляют собой металлы или металлические сплавы, сверхпроводимость которых может быть описана теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Все низкотемпературные сверхпроводники имеют критическую температуру (температуру, выше которой материал не может быть сверхпроводящим даже в нулевом магнитном поле) ниже примерно 30 К. Поведение ВТСП не описывается теорией БКШ, и такие материалы могут иметь критические температуры выше примерно 30 К (хотя следует отметить, что именно физические различия в составе и работе сверхпроводника, а не критическая температура, определяют материалы ВТСП и НТСП). Наиболее часто используемые ВТСП - это «купратные сверхпроводники» - керамика на основе купратов (соединений, содержащих группу оксида меди), такие как BSCCO или ReBCO (где Re - редкоземельный элемент, обычно Y или Gd). Другие ВТСП включают пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборат магния (MgB₂).

ReBCO обычно изготавливается в виде лент со структурой, показанной на фиг. 1. Такая лента 500 обычно имеет толщину приблизительно 100 микрон и включает в себя подложку 501 (обычно из электрополированного хастеллоя толщиной приблизительно 50 микрон), на которую ионно-лучевым осаждением (IBAD), магнетронным распылением или другим подходящим методом нанесен ряд буферных слоев, известных как буферный пакет 502, с приблизительной толщиной 0,2 мкм. Эпитаксиальный слой 503 ВТСП - ReBCO (нанесенный методом MOCVD или другим подходящим методом) покрывает буферный пакет и обычно имеет толщину 1 микрон. На слой ВТСП нанесен слой 504 серебра толщиной 1-2 микрона магнетронным распылением или другим подходящим методом, а на ленту гальваническим или другим подходящим методом нанесен слой 505 медного стабилизатора, который зачастую полностью инкапсулирует ленту.

Подложка 501 обеспечивает механическую основу, которая может подаваться через производственную линию и позволяет выращивать последующие слои. Буферный пакет 502 необходим для обеспечения биаксиально текстурированного кристаллического шаблона, на котором наращивается слой ВТСП, и предотвращает химическую диффузию элементов из подложки в ВТСП, которая нарушает его сверхпроводящие свойства. Слой 504 серебра необходим для обеспечения низкорезистивной границы раздела от ReBCO к слою стабилизатора, а слой 505 стабилизатора обеспечивает альтернативный путь тока в том случае, когда какая-либо часть ReBCO прекращает быть сверхпроводящей (переходит в «нормальное» состояние).

Одной из проблем, которые могут возникнуть в сверхпроводящих магнитах, является нарушение сверхпроводимости. Нарушение сверхпроводимости происходит, когда часть сверхпроводящего провода или обмотки переходит в резистивное состояние (иногда известное как «становление нормальным»). Это может происходить из-за колебаний температуры или магнитного поля, или физического повреждения или дефектов в сверхпроводнике (например, трещин или ухудшения характеристик в результате нейтронного облучения, если магнит используется в термоядерном реакторе). Из-за высоких токов, присутствующих в магните, когда даже небольшая часть сверхпроводника становится резистивной, она быстро нагревается. Все сверхпроводящие провода снабжены каким-то медным стабилизатором для защиты от нарушения сверхпроводимости. Медь обеспечивает альтернативный путь тока, если сверхпроводник становится нормальным. Чем больше меди присутствует, тем медленнее поднимается температура в горячем пятне, которое образуется вокруг области проводника с нарушенной сверхпроводимостью.

В НТСП-магнитах, когда происходит нарушение сверхпроводимости, «нормальная зона» будет распространяться быстро - порядка нескольких метров в секунду. Это происходит из-за низкой теплоемкости всех материалов при низкой температуре и того факта, что НТСП обычно работают намного ближе к своим критическим температурам. Это означает, что нарушение сверхпроводимости распространяется быстро в НТСП-магните, и накопленная энергия магнитного поля, рассеиваемая при нарушении сверхпроводимости, будет распространяться по всему магниту, нагревая его.

ВТСП, эксплуатирующиеся при высоких температурах, имеют более высокую удельную теплоемкость, поэтому энергия, необходимая для приведения участка провода в нормальное состояние, намного выше. Это означает, что нарушения сверхпроводимости гораздо менее вероятны в ВТСП-магнитах, чем в НТСП-магнитах. Однако это также означает, что скорость распространения нормальной зоны намного медленнее - порядка нескольких сантиметров в секунду по сравнению с метрами в секунду в НТСП-магнитах. Поскольку нарушение сверхпроводимости будет первоначально влиять только на небольшой объем магнита, только эта область будет резистивной, и поэтому энергия, рассеиваемая во время нарушения сверхпроводимости, будет сбрасываться в этот небольшой объем (или, более конкретно, в медь, куда отводится ток из нормальной зоны). Это концентрирование энергии может привести к необратимому повреждению ВТСП-ленты, например, плавлению, дуговому разряду и т. д. Это дополнительно усугубляется тем, что ВТСП-магниты обычно охлаждаются косвенным образом, а не погружаются в ванну с жидким теплоносителем - поэтому локальная охлаждающая способность снижается по сравнению с НТСП-магнитами.

Энергия, накопленная в магнитном поле, определяется как:

То есть, чем больше плотность потока и чем больше объем, тем больше накопленная энергия магнита. Энергия, высвобождаемая большим магнитом, может быть примерно такого же порядка, что и у шашки динамита. Для НТСП-магнита эта энергия может быть рассеяна нагреванием всего магнита. Для ВТСП-магнита без защиты от нарушения сверхпроводимости эта энергия может быть рассеяна в небольшой доле объема магнита. Как правило, для большого ВТСП-магнита требуется активная система защиты от нарушения сверхпроводимости, содержащая фазу детектирования, в течении которой нарушение сверхпроводимости детектируется до того, как произошел значительный нагрев, после чего следует фаза рассеивания, в течении которой ток магнита быстро снижается до того, как температура горячего пятна поднимется слишком высоко.

Большинство построенных на сегодняшний день ВТСП-магнитов (с использованием проводников с покрытием из BSCCO и ReBCO) фактически не имеют защиты от нарушения сверхпроводимости. Это связано с тем, что в основном они являются небольшими, недорогими прототипами с небольшой запасенной энергией, а также потому, что, как уже упоминалось, нарушение сверхпроводимости в хорошо спроектированном ВТСП-магните должно иметь очень низкую вероятность. Поэтому решение о том, следует ли защищать ВТСП-магнит от нарушения сверхпроводимости, по сути, является экономическим: маленький прототипный магнит можно относительно легко отремонтировать в том редком случае, когда произошло нарушение сверхпроводимости. Как следствие, технология защиты от нарушения сверхпроводимости для ВТСП-магнитов все еще остается несовершенной.

Одно из своих применений ВТСП-магниты находят в термоядерных реакторах типа токамака. Токамак характеризуется сочетанием сильного тороидального магнитного поля, высокого тока плазмы и, как правило, большого объема плазмы и значительного вспомогательного нагрева, чтобы обеспечить настолько горячую устойчивую плазму, чтобы могла происходить термоядерная реакция. Вспомогательный нагрев (например, посредством инжекции пучка нейтронов высокой энергии H, D или T в десятки мегаватт) необходим, чтобы поднять температуру до достаточно высоких значений, требующихся для возникновения ядерного синтеза, и/или чтобы поддержать ток плазмы.

Проблема заключается в том, что из-за большого размера, обычно требующихся больших магнитных полей и высоких токов плазмы высоки затраты на строительство и эксплуатацию, а инженерные решения должны быть надежными, чтобы справляться с большими накопленными энергиями, присутствующими как в системах магнитов, так и в плазме, которая имеет привычку «прорываться» - мегаамперные токи, уменьшающиеся до нуля за несколько тысячных долей секунды при сильной нестабильности.

Ситуация может быть улучшена путем уменьшения в размерах пончикообразного тороида обычного токамака до его предела, который выглядит как полое яблоко - «сферический» токамак (СТ). Первая реализация этой концепции на токамаке START в Калхэме продемонстрировала огромное увеличение эффективности - магнитное поле, необходимое для удержания горячей плазмы, может быть уменьшено в 10 раз. Кроме того, улучшена стабильность плазмы и снижены затраты на строительство.

Чтобы получить реакции термоядерного синтеза, необходимые для экономичного генерирования электроэнергии (т.е. много большей выходной мощности, чем входная мощность), обычный токамак должен быть огромным с тем, чтобы время удержания энергии (которое примерно пропорциональное объему плазмы) могло быть достаточно большим для того, чтобы плазма могла быть достаточно горячей для протекания термоядерного синтеза.

WO 2013/030554 описывает альтернативный подход, включающий использование компактного сферического токамака для использования в качестве источника нейтронов или источника энергии. Форма плазмы с низким аспектным отношением в сферическом токамаке улучшает время удержания частиц и позволяет генерировать полезную мощность в машине намного меньшего размера. Однако центральная колонна небольшого диаметра является необходимостью, что создает вызовы для конструирования удерживающего плазму магнита.

Основная привлекательность ВТСП для токамаков - способность ВТСП переносить большие токи в интенсивных магнитных полях. Это особенно важно в компактных сферических токамаках (СТ), в которых плотность потока на поверхности центральной колонны будет превышать 20 Тл. Второстепенным преимуществом является способность ВТСП переносить большой ток в сильном магнитном поле при более высоких температурах, чем НТСП, например, ~ 20 К. Это позволяет использовать более тонкий нейтронный защитный экран, что приводит к более высокому нагреву центральной колонны нейтронами, что исключает работу с использованием жидкого гелия (т.е. при 4,2К или ниже). Это, в свою очередь, позволяет рассматривать конструкцию сферического токамака с большим радиусом плазмы менее чем примерно 2 м, например около 1,4 м; такое устройство будет перерабатывать несколько процентов своей выходной мощности на криогенное охлаждение.

Тем не менее, такие магниты намного больше, чем те, которые были сконструированы ранее с использованием ВТСП. Магнит тороидального поля (ТП) даже для относительно небольшого токамака был бы, безусловно, самым большим ВТСП-магнитом, построенным на сегодняшний день, и представляет собой большой магнит с высокой накопленной энергией даже по стандартам НТСП. Соответственно, существенной является тщательно разработанная система защиты от нарушения сверхпроводимости, которая может справиться с падением критического тока в проводнике. Накопленная энергия магнита ТП (~4,5 Тл) для сферического токамака, работающего с большим радиусом 60 см, будет составлять 150-200 МДж, а у магнита ТП (~3 Тл) для токамака с радиусом 140 см будет превышать 1200 МДж.

Роль системы защиты от нарушения сверхпроводимости заключается в том, чтобы детектировать локальное нарушение сверхпроводимости, или «горячее пятно», либо как можно быстрее после его начала, чтобы минимизировать повреждение, либо до инициирования, путем обнаружения переноса тока из сверхпроводника к медному стабилизатору, и чтобы размыкать прерыватель цепи для сброса накопленной энергии магнита в резистивную нагрузку. Сброс энергии может быть достигнут путем перенаправления тока через резистор наружу криостата магнита при комнатной температуре или путем нагревания «холодной массы» магнита, чтобы он стал резистивным, опционально, используя собственную накопленную энергию магнита для искусственного более быстрого распространения нарушения сверхпроводимости через сверхпроводящие обмотки (так что энергия рассеивается по всему магниту, который постепенно нагревается, а не вызывает резкое повышение температуры в горячем пятне). Искусственное распространение затруднительно в ВТСП-магнитах, потому что тепло, необходимое для нарушения сверхпроводимости всего магнита, намного больше, чем в НТСП, и его трудно реализовать на практике.

Для того чтобы система защиты от нарушения сверхпроводимости могла предотвращать серьезное повреждение в магните, температуру горячего пятна следует поддерживать ниже приблизительно 200 К. Время, необходимое для повышения температуры горячего пятна от рабочей температуры ВТСП-магнита примерно 20 К до 200 К, зависит от количества медного стабилизатора, предусмотренного в проводнике. В компактном сферическом токамаке, проводящем 35 МА в центральной колонне радиусом ~35 см (т.е. расчетная плотность тока ~90 А/мм²), время между началом нарушения сверхпроводимости и активацией сброса энергии должно быть менее 0,5 с, чтобы ограничить температуру горячего пятна до уровня менее чем 200 К. Для достижения этого есть два подхода: повышение скорости детектирования нарушения сверхпроводимости (или даже детектирование условий, вероятно приводящих к нарушению сверхпроводимости, чтобы можно было сбросить энергию до того, как произошло фактическое нарушение сверхпроводимости) и повышение скорости сброса энергии.

В предыдущей работе было предложено намеренно нарушать сверхпроводимость секцией ВТСП-магнита или секций НТСП комбинированного ВТСП/НТСП-магнита за счет использования нагревателей. Например, в обмотке тороидального поля токамака имеется ограниченное пространство в центральной колонне, но много места в обратных ветвях, поэтому нагреватели можно ввести в обратные ветви, чтобы нарушить сверхпроводимость сверхпроводящего материала там, сбрасывая энергию магнита в большую секцию обратных ветвей, а не в маленькую область, где происходит первоначальное нарушение сверхпроводимости. Однако требуется небольшое, но значительное время, чтобы тепло распространилось от нагревателей к сверхпроводящему материалу и нагрело его до точки, при которой происходит управляемое нарушение сверхпроводимости. Существует необходимость в более быстром способе вызывать намеренное нарушение сверхпроводимости в сверхпроводящей цепи.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно первому аспекту изобретения предлагается устройство, содержащее цепь высокотемпературного сверхпроводника, ВТСП;

при этом цепь ВТСП содержит:

способный к нарушению сверхпроводимости участок, содержащий материал ВТСП и соединенный последовательно с другими элементами цепи ВТСП, при этом материал ВТСП содержит стопку ВТСП-лент, содержащую по меньшей мере одну ВТСП-ленту;

устройство дополнительно содержит:

систему нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью нарушать сверхпроводимость материала ВТСП в способном к нарушению сверхпроводимости участке;

систему защиты от нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью детектировать повышения температуры в цепи ВТСП и в ответ на детектирование повышения температуры заставлять систему нарушения сверхпроводимости нарушать сверхпроводимость сверхпроводящего материала в способном к нарушению сверхпроводимости участке, чтобы сбросить накопленную магнитную энергию из цепи ВТСП в способный к нарушению сверхпроводимости участок;

при этом цепь ВТСП выполнена так, что при применении магнитное поле на упомянутой или каждой ВТСП-ленте практически параллельно плоскости a-b ВТСП-ленты, а система нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью нарушать сверхпроводимость материала ВТСП за счет создания дополнительного магнитного поля вдоль отрезка упомянутой или каждой ВТСП-ленты в пределах способного к нарушению сверхпроводимости участка, так что дополнительное магнитное поле имеет компоненту, перпендикулярную плоскости a-b ВТСП-ленты.

Согласно второму аспекту изобретения предлагается система нарушения сверхпроводимости для намеренного нарушения сверхпроводимости ВТСП-ленты в магнитном поле, в основном параллельном плоскости a-b ленты, при этом система нарушения сверхпроводимости содержит механизм для генерирования второго магнитного поля сквозь ленту, имеющего компоненту, перпендикулярную плоскости a-b.

Дополнительные варианты осуществления представлены в п. 2 и последующих пунктах формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - график зависимости критического тока от угла магнитного поля для ВТСП-ленты;

Фиг. 2 - схематическая иллюстрация примерной системы нарушения сверхпроводимости;

Фиг. 3 - схематическая иллюстрация примерного ВТСП-кабеля;

Фиг. 4 - график зависимости критического тока от времени для ВТСП-ленты по фиг. 2;

Фиг. 5 - график зависимости теплоемкости от температуры для нержавеющей стали и меди;

Фиг. 6 - график зависимости удельного сопротивления от температуры для нержавеющей стали и меди.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Как отмечено выше, сверхпроводящий материал станет нормальным (то есть окажет сопротивление), когда ток в материале достигает и превышает критический ток. У высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) критический ток зависит от температуры сверхпроводящего материала, напряженности магнитного поля и направления магнитного поля, воздействию которого подвергается ВТСП. Критический ток уменьшается при более высокой температуре, более сильном магнитном поле и большем угле между магнитным полем и плоскостью a-b сверхпроводника. У большинства имеющихся в продаже ВТСП-лент с ReBCO плоскость a-b почти совпадает с плоскостью ленты, но может отклоняться на целых 35 градусов (а фактически, могут быть возможными и более высокие отклонения, 35 градусов - это самый большой угол в доступных в настоящее время лентах). Для простоты в оставшейся части этого раскрытия будет предполагаться, что плоскость a-b совпадает с плоскостью ленты, и специалист поймет, что соответствующие модификации могут быть сделаны для лент, где это не так.

В качестве альтернативы или в дополнение к вызыванию нарушения сверхпроводимости путем нагревания магнита, ниже предлагается система, которая вызывает нарушение сверхпроводимости путем изменения угла магнитного поля, воздействие которого испытывает ВТСП-лента. Поскольку основными применениями ВТСП-ленты являются магниты и другие сильноточные приборы, такие как ограничители повреждающего тока, внешнее магнитное поле на каждой ВТСП-ленте уже зачастую очень велико - либо из-за конструкции магнита, либо из-за наличия других сильноточных ВТСП-лент при других применениях. Однако, как показано на фиг. 1, зависимость критического тока от направления приложенного поля очень сильна - для некоторых имеющихся в продаже лент критический ток может уменьшиться вдвое при изменении угла поля менее 10 градусов. Способный к намеренному нарушению сверхпроводимости участок ВТСП-обмотки может быть спроектирован на работу с отношением I/I_C ближе к единице (и, как правило, будет таким, поскольку уменьшение количества используемого ВТСП предполагает значительное снижение затрат).

Система работает лучше всего, когда участки обмотки магнита, содержащего ВТСП-ленты, в которых должна быть нарушена сверхпроводимость, располагаются так, что магнитное поле в основном совпадает с плоскостью a-b слоя ВТСП ReBCO. Это гарантирует, что критический ток ленты будет максимально возможным или близким к максимально возможному при данных плотности потока и температуре. Если магнитное поле повернуть затем в правильном направлении, критический ток будет резко падать, пока он не станет ниже транспортного тока. Подвергаемые такому воздействию участки обмотки будут затем терять сверхпроводимость, генерируя тепло, которое нагревает участки с нарушенной сверхпроводимостью, гарантируя, что критический ток не сможет восстановиться после окончания импульса магнитного поля.

Такая система инициирования нарушения сверхпроводимости должна быть спроектирована так, чтобы генерировать перпендикулярное плоскости a-b магнитное поле в некоторых или во всех лентах в обмотке и, по меньшей мере, в достаточном количестве лент в обмотке, чтобы общий критический ток лент, подвергаемых дополнительному воздействию перпендикулярного магнитного поля, был бы меньше, чем ток в ленте (это могут быть все ленты в обмотке). Наиболее эффективным способом было бы генерирование магнитного поля с большой компонентой, перпендикулярной плоскости a-b ленты (т.е. параллельно c-оси ВТСП), которое в сочетании с существующим внешним полем приведет к образованию поля под углом к плоскости a-b, достаточному, чтобы нарушить сверхпроводимость ленты. Однако также возможно генерировать магнитное поле под любым углом, которое не параллельно плоскости a-b, хотя потребуется гораздо более сильное поле.

Один простой способ генерировать такое поле, как показано на фиг. 2, состоит в пропускании тока через провод 201, который проходит параллельно отрезку ВТСП-ленты 202 и лежит в плоскости a-b ВТСП-ленты. Поле 203 вокруг такого провода будет пересекать ВТСП-ленту параллельно c-оси ленты (то есть перпендикулярно ленте). Это поле может быть усилено путем прокладки аналогичного провода 204 на противоположной стороне ВТСП-ленты, пропускающего ток в противоположном направлении. Чтобы нарушить сверхпроводимость ВТСП-ленты 202, через провод (провода) 201, 204 посылается импульс тока, в результате чего провода генерируют перпендикулярное ленте магнитное поле, которое в сочетании с существующим магнитным полем имеет эффект мгновенного поворачивания поля, видимого лентой. Как только ВТСП-лента 202 становится нормальной из-за воздействия магнитного поля, вызванный этим нагрев обычно приводит к полной потере сверхпроводимости. Длина импульса тока является балансом между необходимостью обеспечить полную потерю сверхпроводимости (более определенную при более длинном импульсе) и необходимостью избежать повреждения проводов 201, 204 (вызванного передачей большого тока через резистивный провод).

Импульс магнитного поля обязательно должен быть короткой длительности, потому что генерирующая импульсное поле обмотка будет быстро нагреваться, и напряжение, необходимое для поддержания высокого постоянного тока через нее, будет увеличиваться. Для подачи большого тока через генерирующую импульсы обмотку потребуется большое переходное напряжение, обычно – несколько тысяч вольт, поэтому она должно быть электрически изолирована от обмоток магнита. Однако проводники генерирующей импульсы обмотки должны быть расположены между и как можно ближе к проводникам того участка обмотки магнита, который должен потерять сверхпроводимость, чтобы создать максимально возможное импульсное поле. Кроме того, проводники для импульсного поля и проводники магнита должны находиться в как можно более хорошем тепловом контакте (сообразно адекватной изоляции от напряжения), чтобы позволить тепловому импульсу от генерирующей импульсы обмотки рассеиваться в обмотки магнита, далее распространяя нарушение сверхпроводимости.

Компоновка с чередованием направления тока в соседних витках обмотки генератора импульсов даст обмотку с низкой индуктивностью. Это имеет дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении индуктивного напряжения, генерируемого быстро изменяющимся током во время нарастания и спада фронтов импульса.

Дополнительная польза от использования пары проводов 201, 204 состоит в том, что дополнительное поле вдали от пары проводов является небольшим, поскольку поля каждого провода будут стремиться компенсировать друг друга на больших расстояниях по сравнению с расстоянием между ними.

На фиг. 3 показана структура способного к нарушению сверхпроводимости ВТСП-кабеля для использования в тех ситуациях, где основное магнитное поле присутствует на каждой ВТСП-ленте из других лент в кабеле. Такая лента может быть использована в применениях с электропередачей постоянного тока или в магнитах с низкопольными участками, такими как наружные части обратных ветвей обмотки тороидального поля. Аналогичные принципы могут быть применены к ВТСП-кабелям для использования в других ситуациях, но расположение ВТСП-лент внутри кабеля будет другим.

ВТСП-кабель 300 содержит ВТСП-ленту, или стопки лент, 301 и провода 302, 303. ВТСП-ленты расположены так, что плоскость a-b слоя ВТСП ReBCO в лентах 301 перпендикулярна радиусу кабеля 300. Провода 302, 303, генерирующие импульсы, расположены по одному проводу между каждой из стопок ВТСП-лент 301. Провода 302 переносят ток в одном направлении («из страницы» на фиг. 3), а провода 303 переносят ток в противоположном направлении («в страницу» на фиг. 3). Каждая стопка ВТСП-лент 301 находится смежно с одним проводом 302, несущим ток в одном направлении, и одним проводом 303, несущим ток в противоположном направлении. Эффект такого расположения состоит в том, что, когда через провода 302 и 303 пропускается импульсный ток, каждая ВТСП-лента 301 испытывает дополнительное импульсное магнитное поле, приложенное параллельно c-оси ВТСП-ленты 301, что заставляет критический ток стопок ВТСП-лент уменьшаться.

Ток может быть легко подан в такую компоновку проводов путем попеременного соединения верха и низа каждой соседней пары и пропускания тока через полученную последовательную цепь. Однако возможны другие компоновки с параллельными схемами соединения, которые позволяют получить доступ к режимам тока и напряжения практически применимого генератора импульсного тока.

При обеспечении управляемого импульсного магнитного поля с помощью электрических токов, протекающих через резистивные компоненты вблизи ВТСП-лент, резистивные компоненты также будут выделять тепло, что еще больше уменьшит критический ток ВТСП-лент (после дополнительной задержки, поскольку теплу потребуется время на распространение). Примерный график зависимости критического тока от времени показан на фиг. 4 для системы согласно фиг. 2. Нарушение сверхпроводимости происходит где-нибудь в цепи ВТСП в момент времени T₀, и критический ток способного к нарушению сверхпроводимости участка имеет свое нормальное значение 401. После короткой задержки, в момент времени T₁, детектируется нарушение сверхпроводимости, и на провода 201, 204 посылают импульс тока, заставляя критический ток ВТСП-ленты резко падать 402 до значения ниже тока в ВТСП-ленте 400, вызывая нарушение сверхпроводимости ВТСП-ленты (по всему отрезку, который испытывает сдвиг угла магнитного поля). Падение 402 критического тока происходит немного после импульса тока, в момент времени T₂, поскольку импульс тока будет индуцировать вихревые токи в металлических частях ВТСП-кабеля, которые будут противодействовать изменению магнитного потока. Вслед за импульсом тока критический ток ВТСП-ленты может снова возрасти (так как внешнее магнитное поле снова практически совпадает с главной плоскостью), но до более низкого значения 403, чем раньше, из-за нагрева, вызванного нарушением сверхпроводимости в ВТСП-ленте. Вскоре после этого, в момент времени T₃, критический ток снова упадет 404 из-за тепла, вызванного проходящим через провода 201, 204 током и рассеивающегося через промежуточную структуру в ВТСП. Если критический ток, следующий за импульсом тока, не был достаточным для того, чтобы удерживать ВТСП-ленту в состоянии нарушения сверхпроводимости, то дополнительное падение критического тока гарантирует, чтобы это произошло.

В зависимости от длительности импульса тока, магнитных и электрических свойств ВТСП-кабеля и степени теплового контакта между проводами 201, 204 и ВТСП-лентой 202, тепло от импульса тока может поступать во время или после импульсного магнитного поля, вызванного самим импульсом тока.

Выше описана система нарушения сверхпроводимости для нарушения сверхпроводимости способного к нарушению сверхпроводимости участка цепи ВТСП. Чтобы обеспечить систему полной защиты от нарушения сверхпроводимости для цепи ВТСП, способный к нарушению сверхпроводимости участок предусмотрен соединенным последовательно с другими компонентами цепи ВТСП, а система детектирования нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью детектировать нарушения сверхпроводимости в цепи ВТСП и в ответ заставлять систему нарушения сверхпроводимости нарушать сверхпроводимость в способном к нарушению сверхпроводимости участке. Способный к нарушению сверхпроводимости участок должен иметь теплоемкость, достаточную для того, чтобы заставить температуру способного к нарушению сверхпроводимости участка оставаться ниже первой заданной температуры (например, 700 К, чтобы предотвратить расплавление стабилизатора в способных к нарушению сверхпроводимости участках, или 200 К, чтобы поддерживать допустимой деформацию в способном к нарушению сверхпроводимости участке за счет различного теплового расширения, или 100 К, или 50 К для обеспечения устойчивости систем охлаждения), и удельное сопротивление, достаточное для того, чтобы заставить ток магнита падать достаточно быстро, чтобы температура ВТСП с первоначальным нарушением сверхпроводимости («горячего пятна») оставалась ниже второй заданной температуры (например, 700 К, 300 К, 100 К или 50 К). Этого можно добиться, снабдив способный к нарушению сверхпроводимости участок несверхпроводящим стабилизатором, содержащим металл с большим отношением удельного сопротивления к объемной теплоемкости, чем у меди, например такой, как нержавеющая сталь.

Чтобы эффективно сбрасывать энергию из цепи ВТСП с минимальным риском повреждения цепи, способные к нарушению сверхпроводимости участки могут иметь достаточно высокое сопротивление, когда нет сверхпроводимости («нормальное сопротивление»), чтобы быстро уменьшить ток в цепи ВТСП, и достаточно высокую теплоемкость, чтобы поглотить накопленную магнитом энергию, безусловно, без плавления и, предпочтительно, без повышения температуры намного выше комнатной. Температура горячего пятна при нарушении сверхпроводимости ВТСП будет отчасти определяться нормальным сопротивлением способных к нарушению сверхпроводимости участков (которое отчасти определяется удельным сопротивлением выбранных материалов), а максимальная температура сверхпроводника в способных к нарушению сверхпроводимости участках будет определяется главным образом теплоемкостью способных к нарушению сверхпроводимости участков. В тех цепях ВТСП, где длина способных к нарушению сверхпроводимости участков ограничена, например, когда способные к нарушению сверхпроводимости участки предусматриваются внутри обратных ветвей обмотки тороидального поля, эти требования являются противоречивыми. Теплоемкость может быть увеличена путем увеличения поперечного сечения способного к нарушению сверхпроводимости участка (например, путем увеличения поперечного сечения несверхпроводящего стабилизатора в способном к нарушению сверхпроводимости участке), но это также уменьшило бы нормальное сопротивление. Использование отличных от меди материалов в качестве несверхпроводящего стабилизатора может обеспечить повышенную теплоемкость, не делая нормальное сопротивление слишком низким. Например, как показано на фиг. 5 и 6, теплоемкость нержавеющей стали (501) сходна с теплоемкостью меди (502), но удельное электрическое сопротивление нержавеющей стали (601) выше, чем у меди (602). В общем, металл, у которого отношение удельного сопротивления к объемной теплоемкости металла больше, чем это отношение для меди, будет подходящим для такого применения.

Немедный стабилизатор может быть введен в дополнение к медному стабилизатору, например, путем обеспечения коммерчески доступного стабилизированного медью сверхпроводника в матрице из нержавеющей стали. Соотношение меди и нержавеющей стали необходимо отрегулировать так, чтобы ограничить температуру сверхпроводника заданным значением, например, 300 К, если вся энергия обмотки сбрасывается в способные к нарушению сверхпроводимости участки. Скорость затухания транспортного тока при сбросе энергии магнита будет зависеть от индуктивности и зависимого от температуры сопротивления способных к нарушению сверхпроводимости участков.

Когда цепь ВТСП представляет собой генерирующую поле обмотку, способные к нарушению сверхпроводимости участки могут быть расположены так, чтобы вносить вклад в магнитное поле, или, альтернативно, они могут быть расположены неиндуктивно (то есть не внося значительный вклад в магнитное поле). Первое из упомянутых расположение особенно полезно для обмоток возбуждения, таких как обмотки тороидального поля, которые имеют участки (т.е. обратные ветви), которые не вносят значительную долю магнитного поля в интересующей области (радиус плазмы в случае обмотки ТП, которая находится близко к центральной колонне в сферическом токамаке). Это позволяет легко размещать систему нарушения сверхпроводимости внутри ВТСП-кабелей в обратных ветвях. Являющееся следствием этого понижение плотности тока в обратных ветвях не оказывает существенного вреда на рабочие характеристики магнита ТП.

Изобретение относится к сверхпроводящим устройствам, более конкретно изобретение относится к способам и аппаратуре для защиты от нарушения сверхпроводимости в таких устройствах, и особенно в магнитах для применения в термоядерных реакторах. Устройство для защиты от нарушения сверхпроводимости цепи ВТСП содержит цепь высокотемпературного сверхпроводника, ВТСП, причем цепь ВТСП содержит: способный к нарушению сверхпроводимости участок, содержащий материал ВТСП и соединенный последовательно с другими элементами цепи ВТСП, при этом материал ВТСП содержит стопку ВТСП-лент, содержащую по меньшей мере одну ВТСП-ленту; устройство дополнительно содержит: систему нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью нарушать сверхпроводимость материала ВТСП в способном к нарушению сверхпроводимости участке; систему защиты от нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью детектировать повышения температуры в цепи ВТСП и в ответ на детектирование повышения температуры заставлять систему нарушения сверхпроводимости нарушать сверхпроводимость сверхпроводящего материала в способном к нарушению сверхпроводимости участке, чтобы сбросить накопленную магнитную энергию из цепи ВТСП в способный к нарушению сверхпроводимости участок; при этом цепь ВТСП выполнена таким образом, что при применении магнитное поле на упомянутой или каждой ВТСП-ленте практически параллельно плоскости a-b ВТСП-ленты, и система нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью нарушать сверхпроводимость материала ВТСП путем создания дополнительного магнитного поля вдоль отрезка упомянутой или каждой ВТСП-ленты в пределах способного к нарушению сверхпроводимости участка, так что дополнительное магнитное поле имеет компоненту, перпендикулярную плоскости a-b ВТСП-ленты. Изобретение обеспечивает возможность более быстро вызвать намеренное нарушение сверхпроводимости в сверхпроводящей цепи. 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для защиты от нарушения сверхпроводимости цепи ВТСП, содержащее цепь высокотемпературного сверхпроводника, ВТСП, причем цепь ВТСП содержит:

способный к нарушению сверхпроводимости участок, содержащий материал ВТСП и соединенный последовательно с другими элементами цепи ВТСП, причем материал ВТСП содержит стопку ВТСП-лент, содержащую по меньшей мере одну ВТСП-ленту;

устройство дополнительно содержит:

систему нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью нарушать сверхпроводимость материала ВТСП в способном к нарушению сверхпроводимости участке;

систему защиты от нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью детектировать условия, вероятно приводящие к нарушению сверхпроводимости в цепи ВТСП, и, в ответ на детектирование условий, вероятно приводящих к нарушению сверхпроводимости, заставлять систему нарушения сверхпроводимости нарушать сверхпроводимость сверхпроводящего материала в способном к нарушению сверхпроводимости участке для того, чтобы сбросить накопленную магнитную энергию из цепи ВТСП в способный к нарушению сверхпроводимости участок;

при этом цепь ВТСП выполнена так, что при применении магнитное поле на упомянутой или каждой ВТСП-ленте практически параллельно плоскости a-b ВТСП-ленты, а система нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью нарушать сверхпроводимость материала ВТСП путем создания дополнительного магнитного поля вдоль отрезка упомянутой или каждой ВТСП-ленты в пределах способного к нарушению сверхпроводимости участка, так что дополнительное магнитное поле имеет компоненту, перпендикулярную плоскости a-b ВТСП-ленты.

2. Устройство по п. 1, в котором каждый способный к нарушению сверхпроводимости участок имеет теплоемкость, достаточную для того, чтобы температура способного к нарушению сверхпроводимости участка оставалась ниже первой заданной температуры, когда энергия сбрасывается из цепи ВТСП в способный к нарушению сверхпроводимости участок, и удельное сопротивление, достаточное для того, чтобы вызвать падение тока цепи ВТСП достаточно быстро, чтобы температура той части цепи ВТСП, где было детектировано повышение температуры, оставалась ниже второй заданной температуры.

3. Устройство по п. 1 или 2, в котором система нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью нарушать сверхпроводимость материала ВТСП путем создания дополнительного магнитного поля, перпендикулярного плоскости a-b ВТСП-ленты.

4. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором система нарушения сверхпроводимости содержит источник тока и первый провод, который практически параллелен отрезку соответствующей ВТСП-ленты и находится практически в плоскости a-b соответствующей ВТСП-ленты, причем система нарушения сверхпроводимости обеспечивает дополнительное магнитное поле за счет пропускания тока через первый провод.

5. Устройство по п. 4, в котором система нарушения сверхпроводимости содержит второй провод на другой стороне от соответствующей ВТСП-ленты относительно первого провода, причем второй провод практически параллелен отрезку соответствующей ВТСП-ленты и находится практически в плоскости a-b соответствующей ВТСП-ленты, при этом система нарушения сверхпроводимости обеспечивает дополнительное магнитное поле за счет пропускания тока через первый провод в одном направлении и через второй провод в противоположном направлении.

6. Устройство по п. 5, в котором способный к нарушению сверхпроводимости участок содержит множество стопок ВТСП-лент, размещенных своими плоскостями a-b параллельно локальному магнитному полю, и при этом система нарушения сверхпроводимости содержит провод между каждой парой смежных стопок ВТСП-лент, причем система нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью обеспечивать дополнительное магнитное поля за счет пропускания тока через провода таким образом, чтобы из двух проводов, смежных с каждой стопкой ВТСП-лент, один провод переносил ток в одном направлении, а другой провод переносил ток в противоположном направлении.

7. Устройство по п. 6, в котором провода соединены последовательно.

8. Устройство по любому из пп. 2-7, в котором упомянутая первая заданная температура составляет примерно 700 К или, более предпочтительно, примерно 300 К.

9. Устройство по любому из пп. 2-8, в котором упомянутая вторая заданная температура составляет примерно 300 К, более предпочтительно примерно 200 К, предпочтительнее примерно 100 К.

10. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором каждый способный к нарушению сверхпроводимости участок дополнительно содержит несверхпроводящий стабилизатор.

11. Устройство по п. 10, в котором несверхпроводящий стабилизатор содержит металл, имеющий большее отношение удельного сопротивления к объемной теплоемкости, чем у меди, такой как нержавеющая сталь.

12. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором цепь ВТСП представляет собой генерирующую поле обмотку, а способный к нарушению сверхпроводимости участок вносит вклад в магнитное поле генерирующей поле обмотки.

13. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором цепь ВТСП представляет собой обмотку тороидального поля токамака, а способный к нарушению сверхпроводимости участок представляет собой участок обратной ветви этой обмотки тороидального поля.

14. Устройство по п. 13, в котором каждая обратная ветвь обмотки тороидального поля содержит способный к нарушению сверхпроводимости участок.

15. Устройство по любому из пп. 1-12, в котором цепь ВТСП представляет собой обмотку тороидального поля токамака.