РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ КОМПАКТНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ НАУЧНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

СУРИН Михаил Израелевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ КОМПАКТНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ НАУЧНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

- з ДЕК 2009

НОВОСИБИРСК - 2009

003486151

Работа выполнена в Российском научном центре «Курчатовский институт».

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ:

КЕИЛИН Виктор Ефимович

- доктор технических наук, профессор, Российский научный центр «Курчатовский институт», г. Москва.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ВЫСОЦКИИ Виталий Сергеевич

КОВАЛЕВ Лев Кузьмич

МЕЗЕНЦЕВ

Николай Александрович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

доктор технических наук, Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности, г. Москва.

доктор технических наук, Московский авиационный институт (технический университет), г. Москва.

доктор физико-математических наук, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск. Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика A.A. Бочвара, г. Москва.

Защита диссертации состоится «2^ » 2009 г. в « » часов

на заседании диссертационного совета Д.003.016.01 Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Автореферат разослан: « » 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

A.B. Бурдаков

Актуальность темы диссертации

Более сорока лет не ослабевает интерес к практическому использованию сверхпроводимости, в частности, к генерации магнитных полей с помощью сверхпроводящих магнитных систем (CMC). Сверхпроводящие магниты находят все более широкое применение в исследованиях по физике конденсированного состояния вещества, химии, биологии, ускорительной технике, электроэнергетике. Одновременно с расширением областей применения и количественным ростом CMC (в настоящее время в мире эксплуатируются десятки тысяч сверхпроводящих магнитов) все более важными становятся вопросы их оптимизации по массогабаритным характеристикам, надежности, экономичности.

Развитие крупных научных проектов по ускорительной технике (LHC, FAIR), управляемому термоядерному синтезу (ITER), а также ЯМР-спектро-метрии сверхвысокого разрешения привело к необходимости значительного увеличения плотности тока в многоволоконных сверхпроводниках на основе ниобий-олова (с 600 А/мм2 до 3000 А/мм2 в 12 Тл).

Рост плотности тока в выпускаемых промышленностью проводниках и изготавливаемых из них устройствах приводит к увеличению уровня пондеромоторных нагрузок, ответственных за механические неустойчивости и, как следствие, к тренировке и деградации CMC.

Не потеряла актуальности проблема разработки эффективных методов защиты CMC для обеспечения их сохранности после перехода в нормальное состояние (без уменьшения конструктивной плотности тока в обмотках). Важной задачей является развитие современных методов диагностики механических возмущений в CMC.

Цель диссертации

Разработка методов создания и исследования CMC с высокой конструктивной плотностью тока для использования в магнитооптике, физике твердого тела и электронной микроскопии, установках по исследованию эффекта Мессбауэра и нейтронографии, физике плазмы, ускорительной технике, электроэнергетике.

Физико-техническое обоснование разработанных магнитных технологий и использование результатов исследований для выработки конкретных рекомендаций по повышению стабильности и воспроизводимости параметров CMC, уменьшению массогабаритных характеристик и стоимости, упрощению эксплуатации.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Разработка и исследование многочисленных CMC из проводов на основе ниобий-титана с индукцией до 10 Тл при 4,2 К. Улучшение воспроизводимости предельных токов за счет применения технологии, снижающей энергию упругой деформации. Изучение явления «размерного эффекта» и апробация его на обмотках цилиндрической формы. Экспериментальное исследование пондеромоторных и термических деформаций обмоток CMC и обоснование эффективности бандажирования для устранения тренировки.

2. Разработка и исследование комбинированных CMC из проводов на основе сплавов ниобий-олова, ниобий-титана и ванадий-галлия, изготовляемых как мелкими сериями с индукцией 10-И2 Тл, 12+13 Тл, 14-Я5 Тл, так и уникальных (до 18 Тл при 4,2 К). Экспериментальное изучение устойчивости обмоток из сплавов на основе ниобий-титана и ниобий-олова при создании наружных секций опорного поля с большими пондеро-моторными нагрузками. Экспериментальное подтверждение радикального повышения надежности электрической защиты CMC на 13+18 Тл за счет использования электро-проводящего экрана. Исследование возможности повышения индукции магнитного поля за счет применения как легированных проводов на основе Nb3Sn с внутренними распределенными источниками подпитки, так и изготовленных по "бронзовой" технологии.

3. Разработка, создание и исследование семейства CMC для гиротронов на 4-гб Тл, а также уникальной CMC для гиротрона на 170 ГГц с индукцией 7,17 Тл в отверстии 219 мм. Разработка уникальной CMC, намотанной из проводника «кабель в оболочке» для имитации возмущений в обмотках СП токамака по программе KSTAR (Республика Корея) и демонстрация возможности изменения магнитной индукции в этой CMC со скоростью 53 Тл/сек без перехода в нормальное состояние.

4. Разработка и создание двухкатушечной CMC для накопителей энергии на 0,5 МДж. Экспериментальное изучение возможности многократного перераспределения энергии с рабочим циклом 2 с без перехода в нормальное состояние. Исследование особенностей механических импульсных возмущений в накопителях на 0,5 МДж, а также в обмотках барабанного сепаратора методом акустической эмиссии. Разработка CMC, намотанных из проводников из сплава на основе ниобий-титана с запасенной энергией до 4 МДж, достигающих токов короткого образца практически без тренировки. Экспериментальная демонстрация эффективности компенсации осевых пондеромоторных нагрузок для увеличения предельных токов на примере CMC «спектрометр-электроновод» с управляемым магнитным зеркалом.

Научная новизна

1. Систематически (более чем на трехстах CMC) исследовано влияние на их предельные токи уровня механических напряжений, размера и формы токонесущего элемента, различных способов бандажирования осевых и радиальных нагрузок.

2. Развита и обоснованна оригинальная технология «полузамоно-личивания» обмоток CMC из проводников на основе ниобий-титановых сплавов. Разработанная технология снижает энергию упругих деформаций, уменьшает эффект тренировки, позволяет многократно использовать проводник. Технология была широко использована как для создания CMC с запасенной энергией до 4 МДж, так и для высоко-компактных CMC с индукцией 8+9 Тл при 4,2 К и наружным диаметром 85 мм.

3. На полномасштабных CMC экспериментально изучена возможность увеличения магнитной индукции за счет использования проводников из ниобий-олова разных конструкций. В созданной компактной CMC с индукцией 17,7 Тл при 4,2 К плотность тока достигает 12 кА/см2 на сечение сверхпроводящего провода в максимальном поле. CMC не уступает зарубежным аналогам по массогабаритным характеристикам.

4. На созданной двухкатушечной CMC накопителей энергии на 0,5 МДж проведено моделирование возможности многократной перекачки энергии. Успешно испытана конструкция токонесущего элемента, усиленного стрендами из нержавеющей стали. Методом акустической эмиссии впервые исследован характер и особенности механических возмущений в CMC для накопителей энергии, проведена их линейная локализация. Предложенные автором изменения конструкции токонесущего элемента позволили без тренировки увеличить запасенную энергию до 0,8 МДж.

5. На разработанном и испытанном прототипе CMC для 170 ГГц гиротрона достигнута уникальная совокупность параметров (величина магнитной индукции, диаметр рабочего отверстия, крутизна спада поля), не имеющаяй аналогов как в РФ, так и за рубежом. Предложенная автором оптимизация CMC по механическим напряжениям позволила избежать выявленной при предварительных испытаниях тренировки CMC.

6. Экспериментально исследовано влияние электропроводящего экрана на переходной процесс ряда CMC с сильным полем. Использование рекомендаций автора позволило радикально, (в 15+20) раз удлинить переходной процесс, избежать больших градиентов тока и напряжений, значительно повысить эффективность вывода энергии и существенно улучшить электрическую защиту CMC.

7. Продемонстрирована возможность изменения магнитной индукции со скоростью 53 Тл/сек без перехода в нормальное состояние на разработанной при активном участии автора уникальной CMC, намотанной из проводника «кабель в оболочке», предназначенной для имитации электромагнитных возмущений в СП токамаках.

Таким образом, в диссертации на примере многочисленных CMC развито и экспериментально обосновано новое научное направление: принципы и методы создания CMC высокой надежности, в первую очередь, для научного приборостроения и экспериментальной физики.

Практическая ценность

Разработки, исследования и предложения автора были использованы при создании более 300 CMC, многие годы успешно эксплуатирующихся в ведущих научных учреждениях России, странах ближнего и дальнего зарубежья (Германия, Республика Корея, Венгрия, Чехия, Болгария, Румыния и др.). Максимальная индукция лабораторных CMC, намотанных из проводов на основе ниобий-титанового сплава, достигает 9+10 Тл при 4,2 К, что близко к максимальному значению для этого сверхпроводника (всего изготовлено около 100 магнитов, в том числе компактные с наружным диаметром 85 мм). С использованием проводников на основе ниобий-титанового сплава также созданы мелкие серии установок для исследований по физике конденсированного состояния (в т.ч. для оптических исследований с вертикальным и горизонтальным расположением оси соленоида, для мессбауэровских и магнитоструктурных исследований, изучения квантового эффекта Холла, адиабатического размагничивания, исследований вещества мюонным методом и др).

При определяющем участии автора освоено создание высоконадежных комбинированных CMC, выпускаемых мелкими сериями с индукцией 12+13 Тл и 14+15 Тл при 4,2 К из проводников на основе ниобий-олова и ниобий-титана.

Практические рекомендации автора были взяты за основу при проектировании и создании уникальных CMC для:

• исследований свойств полупроводников в сильных полях (индукция 17+18 Тл при 4,2 К);

• спектрометрии электронов конверсии (CMC с управляемым магнитным зеркалом на длине 1,6 м);

• ускорительной техники (запасенная энергия до 4 МДж);

• экспериментов по высокочастотному нагреву плазмы и УТС (CMC для гиротронов на 170 ГГц, установка для изучения свойств жидких

металлов в сильных магнитных полях с возможностью изменения пространственной ориентации магнитной оси, CMC для моделирования возмущений на стендах обмоток СП токамака со скоростью изменения магнитной индукции 53 Тл/сек);

• двухкатушечных CMC для накопителей энергии на 0,5 МДж:

• высокоэкономичных СП ключей.

По широте применения разработанные CMC охватывают значительную часть основных направлений практического использования технической сверхпроводимости.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных семинарах и конференциях, в том числе:

• на 2-ой Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости, Ленинград, 1983 г., (три доклада);

• на Симпозиуме по взаимодействию мюонов и пионов с веществом, Дубна, 1986 г.;

• на IV Российской конференции по физике полупроводников, Санкт-Петербург, 2003 г.;

• на Научных семинарах в РНЦ "Курчатовский институт", Корейском электротехническом институте, Корейском институте Атомной энергии, Сеульском Государственном Университете, Ленинградском физико-техническом институте, ИЯФ СО РАН им. Будкера;

• на Российском электротехническом конгрессе, Москва, 1999 г.;

• на Симпозиуме по использованию сверхпроводимости в накопителях энергии, Карлсруе, Германия, 1994 г.;

• на Конференциях США по прикладной сверхпроводимости 2000 г.; (три доклада), 2002 г.;

• на Международных конференциях по магнитным технологиям 1991, 1995,2001 (два доклада), 2005 гг.;

• на Конференции США по криогенной технике, 1989 г.;

• на Международной конференции CryoPrague 2006.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 224 наименований. Объем диссертации составляет 247 страниц, в том числе 117 рисунков и 34 таблицы. Список основных научных работ, представляющих важнейшие результаты диссертации, составляет 35 наименований.

Содержание работы

В Главе 1 выполнен обзор работ, посвященных основным электрофизическим и механическим свойствам низкотемпературных современных сверхпроводящих проводов, в частности, используемых при создании сильных магнитных полей с помощью CMC. Установлена связь увеличения плотности тока в проводниках с термомеханическими неустойчивостями обмоток, обуславливающими тренировку токов перехода в нормальное состояние. Рассматриваются способы уменьшения тренировки и деградации CMC с высоким уровнем механических напряжений (введение силовых элементов в сверхпроводник, бандажирование, компаундирование). Представлены новые подходы, позволяющие значительно увеличить стабильность CMC за счет добавок веществ с высокой теплоемкостью. Описаны современные методы регистрации механических возмущений и деформаций в обмотках CMC и результаты исследований CMC методом акустической эмиссии. Анализируются преимущества и недостатки известных способов защиты CMC при переходе в нормальное состояние. Подчеркнуто возрастание внимания к проблеме электрической надежности CMC в связи с ростом плотности тока в современных проводниках.

В Главе 2 рассматриваются вопросы разработки и исследования CMC с индукцией до 10 Тл при 4,2 К и запасенной энергией до 500 кДж из проводников на основе ниобий-титана, применяемых в основном для исследований в физике конденсированного состояния. Разработана и апробирована простая эффективная технология, позволившая в значительной степени уменьшить невоспроизводимость предельных токов CMC лабораторного масштаба за счет снижения энергии упругой деформации, возникающей при охлаждении обмоток до температуры жидкого гелия и приводящей к образованию трещин вследствие большого различия коэффициентов теплового сжатия компаунда и металла [1]. Технология допускает многократное использование сверхпроводника. Экспериментально изучено влияние уровня механических напряжений, размера и формы токонесущего элемента на токи перехода в нормальное состояние более чем 200 CMC различной конструкции. В частности, разработаны и исследованы

лабораторные CMC из одноволоконного и многоволоконного проводников с индукцией до 10 Тл при 4,2 К.

Таблица 1. Параметры лабораторных CMC с индукцией до 10 Тл при 4,2 К.

№ 0 0 Длина, Макс. Предельный Примечание

CMC вн., мм нар., мм мм индукция в центре при 4,2 К, Тл ток, А

1 15 40 61 4,6 67 Раздвижка 9 мм, 0 провода 0,33 мм

2 40 68 80 5 64 0 провод. 0,33 мм

3 200 287 202 4,34 98 Раздвижка 30 мм, 0 провода 0,7 мм

4 20 85 200 8,4 91 Ток короткого образца

5 16 98 120 8,9 86 0 провод. 0,5+0,7 мм

6 45 170 160 9 140 Раздвижка 20 мм

7 40 180 200 9,1 158 Раздвижка 12 мм

8 55 204 210 10 130 Магнитопровод, концентраторы, раздвижка 25 мм

9 45 164 200 10,08 136 Ток короткого образца

10 125 250 350 8,7 350 Ток короткого образца

11 40 195 200 9,55 150 -II-

12 45 164 200 9,5 136 -II-

13 40 160 200 9,3 135 -II-

14 40 156 200 9,4 132 -II-

15 40 125 200 9,6 142 -II-

16 60 182 200 9,2 180 -II-

17 60 182 200 9,7 188 -II-

18 24 145 118 9,05 122 -II-

19 25 82 120 8,36 88,4 -II-

20 20 150 180 6,4 140 Раздвижка 50 мм

21 26 82 120 8,4 83,2 Ток короткого образца

22 10 70 87 6,6 99,6 Раздвижка 11 мм

23 10 57 44 6,5 94

Тензометрическим методом исследовались деформации ряда CMC. Преследовалась цель определения характера передачи усилий внутри обмотки, прогнозирования и объяснения эффективности бандажирования, а также сопоставления величин деформаций [5]. На рис. 1. представлены результаты измерения деформаций в CMC №13 (см. таблицу 1). Экспериментально установлено, что относительные температурные деформации достигают величины 7,1-Ю"3, а пондеромоторные деформации наружного слоя CMC являются сжимающими, т.е. для не очень тонких CMC (а>1,5) характер деформаций качественно близок к вычисленным по модели «свободного витка», что свидетельствует о плохой передаче растягивающих усилий от внутренних слоев CMC к наружным. На примере двух CMC с практически одинаковыми размерами продемонстрировано влияние площади поперечного сечения токонесущего элемента на предельные токи. Также экспериментально подтверждена неэффективность бандажирования пондеро-моторных радиальных усилий в CMC с а>1,5, что объясняется в основном недостаточным перераспределением усилий в обмотке CMC из-за наличия в ее структуре демпфирующих элементов с низким значением модуля Юнга. Результат хорошо согласуется с выводами по экспериментальному изучению деформаций.

Разработаны и исследованы более 20 CMC с повышенной однородностью за счет использования внутреннего паза. Исследования этих CMC показали, что наличие внутреннего паза не приводит к тренировке и деградации CMC, но неточности изготовления препятствуют получению расчетной однородности, если ее значение превышает величину Ю^-ИО"5.

Таблица 2. Параметры CMC с повышенной однородностью и требуемой конфигурацией магнитного поля.

I № CMC 0 вн., мм 0 нар., мм 1 Длина, мм Макс.ивдукция в центре при 4,2К, Тл Предельный ток, А Измеренная однородность Примечание

1 40 150 200 8,9 133 6x10"5 в см3 Намотка на одном каркасе

2 60 180 200 8,7 185 4x10"5 в см3 -II-

3 100 160 300 7,3 185 1x10"4 в объеме 060 х 20 мм -II-

4 390 560 302 3,2 742 1.3Х10"4 в сфере 040 мм Раздвижка 120 мм

5 60 160 200 8,8 190 Спец. форма поля Меньше 1х10"3 от поля в центре в области 060x120 мм

6 185 310 200 6,2 341 Спец. форма поля CMC для гиротрона

7 60 175 220 8,9 184 1x10"% см3 Градиентные катушки градиент не менее 7x10"3 Тл/мм

8 30 90 150 8,5 88 < 10'3 объеме 010x30 мм Намотка на одном каркасе

9 250 380 500 6,36 1008 10"3 на длине 7,5 см Для мюонных исследований

Глава 3 посвящена разработке технологии создания и исследованию CMC с использованием интерметаллических проводников в основном на основе ниобий-олова с индукцией до 18 Тл при 4,2 К.

Разработана и испытана комбинированная CMC с индукцией 12,2 Тл в отверстии 80 мм при 4,2 К. Внутреняя секция изготовлена из ванадий-галлиевого провода. Показаны преимущества и недостатки использования ванадий-галлиевого проводника в CMC с сильным полем [3,12].

Предложены и изучены режимы отжига в инертном газе и импрегни-рования CMC изготовленных по технологии «отжиг после намотки» из проводников на основе ниобий-олова.

Разработаны и исследованы около 100 лабораторных CMC для установок типа УИС-1 с индукцией 10+13 Тл, УИС-2 с индукцией 14+15 Тл и УИС-3 с индукцией 16 Тл как из провода с медным стабилизационным

покрытием, так и без него (с бронзовой матрицей, содержащей 8-й 3% олова) [2,11,23,24,13,16].

Обнаружено, что:

1. Токи перехода в нормальное состояние, как правило, близки к критическим токам коротких образцов;

2. Как и следовало ожидать, для CMC без стабилизирующего медного покрытия существует повышенная опасность электрического пробоя CMC при переходе в нормальное состояние (хотя и наличие меди не устраняет эту опасность полностью).

Изучены переходные процессы и найдены оптимальные параметры шунтирования ниобий-оловянных секций. Обоснована необходимость и выработаны рекомендации по увеличению коэффициента заполнения ниобий-оловянных проводников медью до 50%. В таблице 3 приведены основные параметры некоторых комбинированных CMC с медным стабилизационным покрытием. Разработана и испытана CMC опорного поля с индукцией 12,5 Тл в отверстии 220 мм [23]. Экспериментально исследована возможность увеличения индукции магнитного поля за счет использования легированных проводов, изготавливаемых как по «бронзовой» технологии, так и с внутренними распределенными источниками подпитки. Успешно испытана CMC модификации УИС-1 с индукцией 14,7 Тл и наружным диаметром 207 мм (№24 в таблице 3). Спроектирована и испытана компактная CMC с индукцией 17,7 Тл при 4,2 К, в которой достигнута средняя плотность тока 12 кА/см2 в 17,8 Тл [19,30]. Экспериментально исследовано влияние медного экрана на переходной процесс CMC с сильным полем [18,32]. Обнаружено радикальное (в 15-^20 раз) увеличение длительности переходного процесса при использовании медного экрана, что позволяет избежать значительных градиентов изменения тока и роста напряжений в обмотках CMC (см. рис. 2), приводящих к электрическим повреждениям. Увеличение длительности переходного процесса вследствие использования медного экрана обеспечило вывод на внешние сопротивления около 20% энергии (без экрана З-т-5%).

Проведено экспериментальное сопоставление устойчивости CMC из проводников на основе ниобий-титана и ниобий-олова к механическим возмущениям импульсного характера, обусловленным высоким уровнем пондеромоторных нагрузок. Для обмоток из ниобий-оловянных проводников цилиндрической формы обнаружена значительно большая, чем для ниобий-титановых обмоток, устойчивость и, соответственно, уровень допустимых токов. Для обмоток эллиптической формы подобных преимуществ не

обнаружено. Полученные результаты были использованы для оптимизации секций опорного поля (достигнуты напряжения 200 МПа), что существенно уменьшило массогабаритные характеристики CMC.

Таблица 3. Параметры комбинированных (NbTi + Nb3Sn) CMC с медным стабилизационным покрытием проводников.

№ CMC 0 вн., мм 0 нар., мм Длина, мм Макс, индукция в центре при 4,2 К, Тл Предельный ток, А Пользователь

1 45 208 200 12,6 246 ИФТТ РАН

2 45 181 200 12,3 302 ВНИИМС

3 40 186 200 12,8 306 ВНИИМС

4 45 181 200 12,4 290 ВНИИМС

5 40 200 200 12,1 292 ИФТТП АН БССР

6 43 199 200 13 256 МЭИ

7 45 196 200 13,2 257 ИФТТРАН

8 45 200 200 13,3 243 Германия

9 45 199 200 13 267 Корея

10 45 200 200 13,6 258 ВНИИНМ

11 45 199 200 12,6 246 ИФПРАН

12 45 200 200 13,6 267 ИКАИ СССР

13 40 197 200 13,2 238 Квантум

14 40 304 300 14,6 304 ИФТТРАН

15 40 306 300 14,5 417 ИОФАН

16 40 320 300 15,0 257 ФИАН

17 40 310 300 14,65 317 Чехия

18 220 505 400 12,5 906 РНЦКИ

19 45 400 400 16,1+16,2 886; 112 РНЦКИ

20 45 200 200 13,5 240 ИКЧИП

21 45 196 200 13,4 268 ИК ЧИП

22 45 199 200 12,6 246 ИПФ СО АНСССР

23 45 194 200 12,2 301 ЦНТТМ «Дока»

24 45 207 200 14,7 274 ЧМЗ г. Глазов

25 45 226 200 14,8 287 ЧМЗ г. Глазов

Таблица 4. Основные параметры CMC с индукцией 17,7 Тл при 4,2 К.

Секции Внутренние Наружные

1 2 1 2 3

Вклад в индукцию в центре (Тл) 5,04 5,06 3,.46 4,14

Средняя плотность тока в обмотке (А/см2) 8540 13472 10603 14025 18612

Плотность тока в проводнике (А/мм2) 119,8 195,6 119,7/156,4 212,9 332,6/212,9

Максимальное растягивающее напряжение (МРа) в модели свободного витка 80 155 110/150 200 190/30

Общая запасенная энергия (МДж) 1,05

Время, с

Рис. 2. Увеличение длительности переходного процесса за счет использования медного экрана.

В Главе 4 приведены результаты исследований CMC, применяемых в экспериментах по изучению физики плазмы и управляемому термоядерному синтезу (УТС). В рамках программы исследования систем ограничения плазмы и защиты первой стенки термоядерных реакторов была разработана установка «Магда» [8], включающая в себя CMC и гелиевый криостат. В CMC без тренировки достигнута индукция 6,28 Тл при 4,2 К в отверстии 370 мм. Однородность в CMC улучшена на длине 400 мм за счет использования внутреннего паза. Главной особенностью конструкции криостата является расположение питателя под углом 45° к оси соленоида, что позволяет изменять ориентацию магнитной оси соленоида.

В целях имитации электромагнитных возмущений на обмотках СП токамака по программе «KSTAR» разработана CMC и исследована возможность изменения ее магнитной индукции со скоростями несколько десятков Тл/с [27, 28]. В связи с тем, что CMC предназначена для эксплуатации во внешнем магнитном поле 8+10 Тл, в качестве токонесущего элемента была использована транспонированная скрутка ниобий-оловянных проводников диаметром 0,85 мм в оболочке из нержавеющей стали, разработанная и изготовленная во ВНИИКП. Отработана технология одновременной намотки и изолировки высокотемпературной изоляцией «кабеля в оболочке», а также отжига в инертном газе при температуре 550+700°С с прокачкой газообразного гелия через токонесущий элемент с последующей поэлементной заменой металлического каркаса на стеклопластиковый. При испытаниях достигнута скорость изменения индукции 20 Тл/сек в центре CMC или 53 Тл/сек на обмотке без перехода в нормальное состояния. Экспериментально исследована и подтверждена эффективность экранировки рассеянного магнитного поля путем применения дополнительной пассивной обмотки (см. рис. 3).

Для высокочастотного нагрева плазмы разработано семейство CMC для гиротронов с индукцией 4+6 Тл, а также по программе ИТЭР - прототип CMC для 170 ГГц гиротрона [21, 35]. От зарубежных аналогов (помимо большей величины магнитного поля) CMC отличается более крутым и несимметричным спадом магнитного поля по оси, что обуславливает значительные осевые (несколько десятков тонн) пондеромоторные нагрузки. Исследована тренировка CMC, проведено сопоставление измеренного и расчетного магнитного поля, продемонстрирована ее работоспособность при неполном погружении в жидкий гелий. Проведена оптимизация механических напряжений в обмотках CMC, позволившая устранить тренировку в обмотке CMC из многоволоконного ниобий-оловянного проводника и достичь проектной индукции 7,17 Тл в отверстии 219 мм. Характер тренировки токов CMC до и после оптимизации представлен на рис. 4.

Время, с

Рис. 3. Разряд катушки со скоростью 20 Тл/с.

Переход, No

Рис. 4. Тренировка CMC для 170 ГГц гиротрона.

Р.-005

Рис. 5. Осевое распределение магнитного поля в «Спектрометре-электроноводе».

г еп

В Главе 5 приведены результаты разработки и испытаний CMC различного назначения для исследований в ядерной физике, ускорительной технике, магнитной сепарации, электроэнергетике.

Спроектирована и испытана CMC «спектрометр-электроновод» для собирания электронов конверсии первичных осколков деления ядер мишени в нейтронном пучке. Длина соленоида около 1,6 м. Соленоид снабжен двумя СП ключами [10,15,22]. Экспериментально исследовано осевое распределение магнитного поля при варьировании токов в секциях для изменения телесного угла собирания электронов за счет создания магнитного зеркала в широких пределах (0+0,5 от 4 тс), см. рис. 5. Обнаружено, что слабая индуктивная связь секций CMC и достаточно подробное шунтирование приводят к возможности частичного (до 40%) восстановления транспортного тока после перехода в нормальное состояние одной из секций. На CMC «спектрометр-электроновод» экспериментально продемонстрирована эффективность бандажирования осевых пондеромоторных нагрузок за счет силовых домкратов, позволивших повысить рабочий ток на 15+20%.

Разработаны две относительно крупные CMC для исследований по ускорительной технике. В качестве токонесущего элемента использовались проводники на основе ниобий-титана прямоугольного сечения (3,5x2 мм2 и 5x3 мм2). Каждая CMC состоит из основного (фокусирующего) и вспомогательного (согласующего) соленоидов. На обеих CMC была продемонстрирована возможность достижения предельных токов, близких к токам короткого образца (запасенная энергия в CMC №2 более 3 МДж) практически без тренировки (см. таблицу 5) [17].

Таблица 5. Параметры нестационарно стабилизированных CMC для исследований в ускорительной технике с запасенной энергией до 4 МДж.

Параметр CMC № 1 CMC №2

Достигнутый ток, А 780 1080

Индукция в центре, Тл 8,0 6,95

Запасенная энергия, МДж 2 3,06

Диаметр рабочего отверстия, мм 260 294

Наружный диаметр, мм 425 504

Длина по обмотке, мм 1130 1820

Токонесущий элемент: шинка 3,5x2 5x3

СКНТ, сечением, мм2

Механические напряжения 120 70

(в модели свободного витка) МПа

Рис. 6. Многократная перекачка энергии из одного индуктивного накопителя в другой.

Таблица 6. Основные параметры двухкатушечной CMC для накопления и передачи энергии на 0,5 МДж.

Накопитель 1 Накопитель 2

Тип магнитной системы Соленоид Соленоид

Индукция в центре, при 1550 А, в Тл 3,39 3,47

Индуктивность, Гн 0,42 0,432

Внутренний диаметр, мм 400 400

Наружный диаметр, мм 552 514

Длина, мм 580 580

Средняя плотность тока при 1550 А, А/мм2 46 45/88

Достигнутая запасенная энергия при предварительных испытаниях, МДж 0,8 0,5

Минимальное время перекачки энергии, с (без перехода в нормальное состояние) 2 2

В целях моделирования возможности кратковременного (около 2 с) многократного поддержания напряжения в электросетях при аварийном отключении разработана и исследована двухкатушечная CMC для индуктивных накопителей энергии на 0,5 МДж с рабочим током 1550 А. Экспериментально продемонстрирована возможность многократной перекачки энергии из одной катушки в другую без перехода в нормальное состояние [25, 33] (см. рис. 6). В целях повышения предельного тока проведена оптимизация обмоток CMC по уровню механических напряжений и исследован «размерный эффект» в этих CMC, намотанных из транспонированных проводников с медным сердечником и нержавеющими силовыми элементами, разработанных и изготовленных во ВНИИКП. Параметры CMC приведены в таблице 6. Методом акустической эмиссии

изучены особенности импульсных возмущений механического происхождения, а также проведена линейная локализация этих возмущений.

Разработаны и испытаны опытные образцы CMC лабораторного масштаба для магнитной сепарации как с обмотками в форме рейстрека, так и цилиндрической формы, в частности, для очистки каолина, где достигнут градиент магнитного поля 117 Тл2/м.

В заключении изложены основные выводы работы

В диссертации на примере многочисленных CMC развито и экспериментально обосновано новое научное направление: принципы и методы создания CMC высокой надежности, в первую очередь для научного приборостроения и экспериментальной физики.

Систематически исследовано влияние размера, формы сечения и конструкции токонесущего элемента на предельные токи более 300 CMC различного назначения с запасенной энергией до 4 МДж и индукцией до 18Тл при 4,2 К. Экспериментально исследовано влияние «размерного эффекта» на токи срыва CMC, изготовленных из проводников на основе ниобий-титана и ниобий-олова.

Тензометрическим методом изучена деформация ряда соленоидов в интервале температур от комнатной до жидкого гелия и в зависимости от уровня пондеромоторного нагружения. Обнаружено наличие слабого взаимодействия в радиальном направлении в «толстых» соленоидах (а > 1,5), что объясняет недостаточную эффективность радиального бандажирования. Одновременно практически продемонстрирована эффективность компен-ации осевых пондеромоторных нагрузок.

Методом акустической эмиссии экспериментально изучены особенности развития механических импульсных возмущений для CMC различного назначения. На модельных и полномасштабных CMC обнаружена сильная зависимость амплитудных и накопленных энергий механических возмущений от рабочей частоты и величины транспортного тока. Осуществлена локализация импульсных возмущений как на самих обмотках CMC, так и на системах обмотка/бандаж.

Проведено экспериментальное сопоставление устойчивости CMC из проводников на основе ниобий-титана и ниобий-олова к механическим возмущениям, обусловленным высоким уровнем пондеромоторных нагрузок. Для обмоток из ниобий-олова цилиндрической формы обнаружена существенно большая устойчивость и, соответственно, плотность достигаемых токов.

Экспериментально исследовано влияние проводящего экрана на переходные процессы в CMC (на примере соленоида с индукцией 17+18 Тл). Обнаружено, что использование проводящего экрана в сочетании с развитым шунтированием радикально увеличивает электрическую надежность.

Разработаны и испытаны компактные СП-ключи, в которых использован разработанный и изготовленный во ВНИИНМ проводник на основе ниобий-титана в медно-марганцевой матрице. По экономичности ключи в несколько раз превышают зарубежные аналоги.

Разработана и внедрена оригинальная технология создания CMC на основе ниобий-титановых проводников, позволяющая снижать энергию упругих деформаций (приводящих к образованию трещин в эпоксидном компаунде), возникающих при охлаждении обмотки до температуры жидкого гелия. Технология повышает стабильность предельных токов CMC, допускает неоднократное использование сверхпроводника. С ее использованием создано около 200 CMC лабораторного масштаба и средних размеров (до 4 МДж) различного назначения, в которых, как правило, токи короткого образца достигались без тренировки.

Экспериментально исследована возможность увеличения индукции магнитного поля и повышения надежности за счет использования проводников на основе ниобий-олова, изготовленных как по «бронзовой» технологии, так и с внутренними распределенными источниками подпитки. Практической реализацией исследований стало создание серий высоконадежных CMC на 10+12 Тл, 12+13 Тл, 14+15 Тл (всего около 100). Была создано компактная CMC с индукцией 17,7 Тл при 4,2 К, не уступающая зарубежным аналогам по массогабаритным характеристикам.

Разработан ряд уникальных CMC для исследований по физике плазмы и УТС, в том числе, для гиротронов повышенной мощности и для систем с быстро изменяющимся (более 50 Тл/с) магнитным полем.

Практическое значение материалов диссертации подтверждается надежной многолетней работой большинства описанных в диссертации CMC в российских и зарубежных научно-исследовательских центрах. Разработанные технологии их изготовления продолжают применяться при создании новых CMC.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

[1] Anashkin О.Р., Keilin V.E., Surin M.I., Shleifinan V.Kh., «The Development and Investigation of Superconducting Magnetic Systems for Physical Experiments», Cryogenics, 1979, Vol. 19, N 7, pp. 405-410.

[2] Keilin V.E., Lykov V.V., Romanovskii V.R., Surin M.I., Shevchenko S.A., «Development of superconducting solenoids from multifilamentary niobiumtin wires without stabilizing matrix and analysis of their thermal stability», Cryogenics, 1985, Vol. 25, N 8, pp. 462-465

[3] Eckert D., Frenzel C., Keilin V.E., Surin M.I et al„ «А 12T 80mm bore superconducting V3Ga-NbTi magnet system», Cryogenics, 1982, Vol. 22, N4, pp. 184-187.

[4] Кейлин B.E., Сурин М.И., Шевченко C.A., «Стенд для испытания внутренних секций сверхпроводящих соленоидов», ВАНТ, 1987, Выпуск 4(40), с. 40.

[5] Лыков В.В., Сурин М.И., «Экспериментальное исследование деформации обмоток CMC», В книге: Труды 2-ой Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости, Ленинград, 1984, с. 312-316.

[6] Захаров Ю.В., Райцис В.И., Сурин М.И., Шлейфман В.Х., «Сверхпроводящая магнитная система для поляризации нейтронного пучка», Препринт ИЛЭ 3658/14, Москва, 1982, 6 с.

[7] Сурин М.И., «К вопросу о проявлении размерного эффекта в сверхпроводящих соленоидах», ВАНТ, 1988, Выпуск 2(42), с. 143.

[8] Анашкин О.Г1., Кейлин В.Е., Кривых А.В., Сурин М.И., Шевченко С.А., Шлейфман В.Х., «Опыт создания нестационарно стабилизированных сверхпроводящих магнитов с энергией до 2 МДж», В книге: Труды 2-ой Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости, Ленинград, 1984, с. 246-248.

[9] Гуревич И.И., Кейлин В.Е., Сурин М.И. и др., «Экспериментальный комплекс для jiSR - исследований на фазатроне ЛЯП ОИЯИ», В книге: Труды международного симпозиума по проблемам взаимодействия мюонов и пионов с веществом, Дубна, 1987, Д14, 87, 799, с. 437-441.

[10] Анашкин О.П., Кейлин В.Е., Моряков В.П., Пелехов В.И., Сурин М.И., Шлейфман В.Х., «Сверхпроводящий соленоид спектрометра «Электроновод», ВАНТ, 1984, Выпуск 4(29), с. 124-126.

[11] Кейлин В.Е., Сурин М.И., Шевченко С.А., «Лабораторные сверхпроводящие соленоиды из многожильного ниобий-оловянного провода без стабилизирующей меди», В книге: Труды 2-ой Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости, Ленинград, 1984, с. 249-251.

[12] Анашкин О.П., Кейлин В.Е., Сурин М.И., «Комбинированный (NbTi+V3Ga) сверхпроводящий соленоид», Препринт ИЛЭ 3583/10, Москва, 1982, 16 с.

[13] Кейлин В.Е., Микляев С.М., Сурин М.И., Шевченко С. А., «Сверхпроводящий соленоид с индукцией более 16 Тл при 4,2 К», Доклады Академии наук СССР, 1988, Т. 302, №5, с. 1086.

[14] Микляев С.М., Сурин М.И., Шевченко С.А., «Устройство секционированной сверхпроводящей неоднородной магнитной системы с тепловой защитой», а/с № 1508299 выдано 15 мая 1989 г.

[15] Гусева Е.В., Моряков В.П., Пелехов В.И., Сергеев М.В., Сурин М.И., «Электроновод» - спектрометр с кремниевым детектором и транспортным соленоидом для исследования спектров электронов конверсии при делении ядер нейтронами», ВАНТ, 1986, Выпуск 3(36), с. 85.

[16] Кейлин В.Е., Микляев С.М., Сурин М.И., Шевченко С.А., «Сверхпроводящий соленоид с индукцией 16,2 Тл», ВАНТ, 1988, Выпуск 2(32), с. 142.

[17] Бондарев Б.И., Грязное Н.А., Кейлин В.Е., Сурин М.И. и др., «Экспериментальный высокочастотный ускоритель протонов с фокусировкой пучка сверхпроводящим соленоидом», Препринт -М- МРТИАН СССР № 8901, Москва, 1989, 78 с.

[18] Микляев С.М., Сурин М.И., Шевченко С.А., «Защита сверхпроводящих магнитных систем с помощью короткозамкнутого экрана», Препринт РНЦ «КИ»-6393/10, Москва, 2006.

[19] Victor Е. Keilin, Sergey М. Miklyaev, Mikhael I. Surin and Sergey A. Shevchenko, «Compact High Field Superconducting Coil», IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 12, N1, Mach 2002, pp. 484-486.

[20] Кейлин B.E., Сурин М.И., Шевченко C.A., Шлейфман В.Х., «Сверхпроводящие магнитные системы с повышенной однородностью поля», ВАНТ, 1988, Выпуск 2(42), с.142-143.

[21] M.I. Surin, A.S. Fix, V.E. Keilin, N.I. Kudriavsev, S.M. Miklyaev, S.A. Shevchenko and E.V. Sokolov, «А prototype Superconducting Magnet for 170 GHz Gyrotrons», IEEE Transactions on Appl. Superconductivity, 2006, pp. 845-847.

[22] Пелехов B.E., Анашкин О.П., Кейлин B.E., Моряков В.П., Сурин М.И., Шлейфман В.Х., «Сверхпроводящий соленоид для управляемой транспортировки электронов к детектору при повышенном подавлении фона», Приборы и техника эксперимента (ПТЭ), №3, Москва, 1990, с. 177-181.

[23] V.E. Keilin, S.M. Miklyaev, M.I. Surin and S.A. Shevchenko, «Superconducting Magnet Systems for Physical Research», Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 35, New York, 1990, pp. 547-554.

[24] V.E. Keilin, S.M. Miklyaev, M.I. Surin and S.A. Shevchenko, «Superconducting Magnet System with Induction up to 16.2 T at 4.2 К», IEEE Transactions on Magnetics, January 1992, Vol. 28, N1, pp. 794-796.

[25] V.P. Agalakov, V.E. Keilin, M.I. Surin et al., «Two 0.5 MJ Coils SMES SYSTEM Development and test results», The proceedings of the IEA Symposium on use of superconductivity in energy storage, Karsruhe, Germany, 25-27 Oct. 1994, pp. 141-149.

[26] S. Baang, V.E. Keilin, S.L. Kruglov, A.V. Rychagov, V.E. Sytnikov, M.I. Surin et al., «The conductors of the 50 kA superconducting transformer for SSTF», Physica С 354, 2001, pp. 105-109.

[27] S. Baang, V.E. Keilin, M.I. Surin et al, «Results of Preliminary Testing of Blip and Cancellation Coils for the Samsung Superconductor Test Facility (SSTF)», IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 13, June 2003, pp. 1492-1495.

[28] S. Baang, D.P. Ivanov, V.E. Keilin, S.M. Miklyaev, M.I. Surin et al., «The Comparison of Active and Passive Cancellation Coils for SSTF», IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.12, N1, March 2002, pp. 508-511.

[29] Sungkun Baang, Victor E. Keilin, Ivan A. Kovalev, Sergey L. Kruglov, Mikhael I. Surin et al., «The Superconducting Transformer of the Samsung Superconductor Test Facility (SSTF)», IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 11, N1, March 2001, pp. 1494-1497.

[30] М.И. Сурин, B.E. Кейлин, C.M. Микляев, C.A. Шевченко., «Сверхпроводящий соленоид с индукцией 17,7 Тл при 4,2 К», Труды Российского электротехнического конгресса, Москва, 1999, с. 97.

[31] Sungkeun Baang, Victor E. Keilin, Ivan A. Kovalev, Mikhael I Surin et al., «The Background Magnets of the Samsung Superconductor Test Facility (SSTF)», IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.11, N1, March 2001, pp. 2082-2085.

[32] C.M. Микляев, М.И. Сурин, C.A. Шевченко, «Компактная сильнополь-ная сверхпроводящая магнитная система», Патент на полезную модель №46387, зарегистрировано 27 июня 2005 г.

[33] V.E. Keilin, O.P. Anashkin, S.M. Miklyaev, S.A. Shevchenko, M.I. Surin et al., «Development and Test results of Double 0.5 MJ SMES System», IEEE Transactions on Magnets, Vol. 32, N4, July 1996, pp. 2312-2315.

[34] Salunin N., Potanina L., Korpusov V., Gubkin M., Surin M., «The NbTi wires with high current carrying capacity for laboratory magnets up to 9.5 T», Proceeding of ICMC'06(23 1CMC) and 9,h CRYOGENICS, Praha, 2006, pp. 141-144.

[35] М.И. Сурин, B.E. Кейлин, C.M. Микляев, C.A. Шевченко, «Прототип сверхпроводящего магнита для гиротрона на 170 ГГц», Приборы и техника эксперимента (ПТЭ), 2008, №4, с. 154-158.

СУРИН Михаил Израелевич

Разработка методов создания и исследования высоконадежных компактных сверхпроводящих магнитных систем для научного приборостроения и экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Сдано в набор .16.10.2009 г. Подписано в печать 16.10. 2009 г. Формат 60x90 1/16 Объем 1.6 печ.л., 1.3 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ А'а 30_

Обработано на РС и отпечатано на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, II

Введение

Глава 1. Свойства сверхпроводящих проводников, используемых 8 при создании компактных CMC различного назначения

1.1. Сверхпроводники гелиевого уровня температур

1.1.1. Сверхпроводники на основе деформируемого Nb-Ti 8 сплава и их применение

1.1.2. Сверхпроводники на основе интерметаллического 13 соединения Nb3Sn и их применение

1.2. Сверхпроводники азотного уровня температур (ВТСП)

1.3. Способы электрической защиты компактных обмоток

1.4. Тренировка и деградация сверхпроводящих магнитных 31 систем. Причины, диагностика, методы преодоления

Глава 2. Разработка эффективных методик создания CMC с индукцией до 10 Тл при 4,2 К из проводников на основе сплава Nb-Ti с запасенной энергией до 500 кДж

Экспериментальное изучение температурных и пондеромоторных деформаций

Обоснование целесообразности бандажирования в CMC радиальных пондеромоторных усилий как способа борьбы с тренировкой и деградацией

2.1. Уменьшение энергии упругой деформации компаунда

2.2. Экспериментальное изучение температурных и 49 пондеромоторных деформаций. Обоснование целесообразности бандажирования в CMC радиальных пондеромоторных усилий

2.2.1. Методика тензометрии обмоток CMC

2.2.2. Модельные обмотки

2.2.3. Лабораторные CMC

2.2.4. CMC с запасенной энергией до 4 МДж

2.2.5. Тензодатчик как индикатор короткозамкнутого витка

2.3. Влияние радиальной деформации и способа оптимизации 64 обмоток на предельные токи CMC

2.4. Влияние размеров токонесущего элемента на тренировку 67 и деградацию CMC

2.5. Разработка и создание CMC с индукцией до 10 Тл при 70 4,2 К из проводников на основе сплавов Nb-Ti с запасенной энергией до 500 кДж

2.5.1. CMC с рабочим током до 100 А

2.5.2. CMC для установок УИС

2.5.3. Установка для мессбауэровских исследований

2.5.4. CMC для установок УИС

2.5.5. CMC с раздвинутыми обмотками

2.5.6. CMC с повышенной однородностью и с требуемой 82 конфигурацией магнитного поля

2.5.7. Разработка высокоэкономичных ключей для CMC 87 различного назначения

Глава 3. Разработка методик создания CMC с индукцией до 18 Тл при 4,2 К из проводников на основе Nb3Sn

Исследование эффективности защиты CMC с помощью короткозамкнутого экрана

Экспериментальное сопоставление ограничений на плотность тока в обмотках из проводов на основе Nb-Ti и Nb3Sn

3.1. Технология изготовления CMC и особенности 92 конструкции

3.2. Лабораторные CMC с индукцией до 15 Тл при 4,2 К

3.2.1. Испытание коротких образцов

3.2.2. CMC из проводника на основе Nb3Sn с центральным 98 источником подпитки

3.2.3. CMC из проводника на основе Nb3Sn без 99 стабилизирующей меди

3.2.4. CMC из проводника на основе Nb3Sn со 102 стабилизирующей медью

3.3. Комбинированные CMC

3.3.1. Комбинированная (NbTi+V3Ga) CMC 108 с индукцией 12,2 Тл в отверстии диаметром 80 мм

3.3.2. Комбинированные (NbTi+Nb3Sn) CMC с индукцией 115 более 16 Тл в отверстии диаметром 45 мм

3.3.3. CMC с индукцией 12,5 Тл в отверстии диаметром 122 220 мм

3.4. Экспериментальное сопоставление ограничений на 124 плотность тока в обмотках из проводов на основе

Nb3Sn и NbTi

3.5. CMC для исследований при высоких давлениях в 127 магнитном поле 12ч-13 Тл

3.6. Разработка CMC с индукцией 17,7 Тл при 4,2 К. 129 Исследование возможности повышения индукции за счет использования Nb3Sn проводников с распределенными источниками подпитки

3.6.1. Секции опорного поля CMC

3.6.2. Предварительные испытания секций опорного поля

3.6.3. Выбор материала сверхпроводника и проектирование 133 внутренней секции CMC

3.6.4. Испытания CMC в сборе

3.7. Исследование эффективности электрической защиты 142 CMC с сильным полем с помощью короткозамкнутых экранов

3.7.1. Результаты испытаний CMC на 17 Тл при 142 последовательном питании всех секций без проводящего экрана

3.7.2. Причины электрического повреждения CMC

3.7.3. Испытания CMC на 17 Тл с короткозамкнутым 146 проводящим экраном

3.7.4. Анализ причины преждевременного перехода 17 Тл 149 CMC в нормальное состояние

3.7.5. Экспериментальное исследование метода 150 электрической защиты CMC с индукцией 14-И 5 Тл с помощью короткозамкнутого проводящего экрана

Глава 4. Разработка, создание и исследование CMC, применяемых 157 в экспериментах по изучению физики плазмы и управляемому термоядерному синтезу (УТС)

4.1. Установка «Магда»

4.2. Прототип сверхпроводящего магнита для гиротрона на 170 ГГц

4.2.1. Концепция магнитной системы

4.2.2. Распределение магнитного поля

4.2.3. Конструкция магнита

4.2.4. Предварительные испытания магнита

4.2.5. Анализ предварительных испытаний

4.2.6. Модификация секции №

4.2.7. Испытания магнита после переделки

4.3. CMC для имитации электромагнитных возмущений, ожидаемых при работе установки типа «Токамак»

4.3.1. Описание конструкции и основные технические характеристики возмущающих и демпфирующих катушек

4.3.2. Изготовление возмущающих и демпфирующих катушек

4.3.3. Предварительные испытания возмущающих 179 и демпфирующих катушек

Глава 5 Разработка и создание CMC для исследований в ядерной 184 физике, магнитной сепарации и электроэнергетике.

Изучение механических возмущений в сильнонагруженных обмотках CMC методом акустической эмиссии

5.1. CMC для исследований в ядерной физике

5.1.1. CMC спектрометр «Электроновод»

5.1.2. CMC для экспериментального высокочастотного 190 ускорителя протонов

5.2. Разработка и исследования CMC для магнитной сепарации

5.2.1. CMC для очистки каолина

5.2.2. Исследование эффективности бандажирования CMC 196 для барабанного сепаратора методом акустической эмиссии

5.3. Разработка и испытания двухкатушечного накопителя 204 энергии на 0,5-ь0,8 МДж

5.3.1. Выбор сверхпроводника

5.3.2. Испытания модельной катушки

5.3.3. Испытания полномасштабных катушек накопителей в 209 режиме медленного заведения тока

5.3.4. Конструирование гелиевых криостатов

5.3.5. Источник тока

5.3.6. Основные результаты испытаний

5.4. Исследования механических возмущений в обмотках 216 накопителя на 0,5-Ю,8 МДж методом акустической эмиссии

5.4.1. Модельная катушка

5.4.2. Полномасштабные катушки 219 Выводы 224 Благодарности 226 Литература

Более сорока лет не ослабевает интерес к практическому использованию сверхпроводимости, в частности, к генерации магнитных полей с помощью сверхпроводящих магнитных систем (CMC). Сверхпроводящие магниты находят все более широкое применение в исследованиях по физике конденсированного состояния вещества, химии, биологии, ускорительной технике, электроэнергетике. Одновременно с расширением областей применения и количественным ростом CMC (в настоящее время в мире эксплуатируются десятки тысяч сверхпроводящих магнитов) все более важными становятся вопросы их оптимизации по массогабаритным характеристикам, надежности, экономичности.

Развитие крупных научных проектов по ускорительной технике (LHC, FAIR), управляемому термоядерному синтезу (ITER), а также ЯМР-спектрометрии сверхвысокого разрешения привело к необходимости значительного увеличения плотности тока в многоволоконных

2 ^ сверхпроводниках на основе ниобий-олова (с 600 А/мм до 3000 А/мм" в 12 Тл).

Рост плотности тока в выпускаемых промышленностью проводниках и изготавливаемых из них устройствах приводит к увеличению уровня пондеромоторных нагрузок, ответственных за механические неустойчивости и, как следствие, к тренировке и деградации CMC.

Не потеряла актуальности проблема разработки эффективных методов защиты CMC для обеспечения их сохранности после перехода в нормальное состояние (без уменьшения конструктивной плотности тока в обмотках). Важной задачей является развитие современных методов диагностики механических возмущений в CMC. Подробнее описание существующих проблем и методов их решения приведены в Главе 1.

5.3.6. Основные результаты испытаний

Главной задачей проекта создания накопителя на 0,5 МДж была демонстрация возможностей быстрой (2 с) перекачки энергии из одной катушки в другую без перехода в нормальное состояние. Выполнение этого условия означает в том числе возможность быстрой повторной «зарядки» катушки накопителя после аварийного сброса энергии в сеть.

Во время испытаний в Москве и последующих приемосдаточных испытаний в Корее была успешно продемонстрирована возможность работы с продолжительностью циклов 1,8-ь2 с. Диаграмма изменения тока в двух катушках накопителей в циклическом режиме представлена на рис. 110.

Рис. 110. Изменение тока в катушках накопителя в режиме перекачки энергии

В этом режиме перекачка осуществлялась между катушками 2А и 2В соответственно при первоначальном заведении тока в катушку 2А.

По результатам успешного выполнения проекта представляется целесообразными многие технические решения, апробированные при создании накопителя на 0,5 МДж, использовать и при разработке накопителей с запасенной энергией 1ч-10 МДж [220].

5.4. Исследования механических возмущений в обмотках накопителя на 0,5-М),8 МДж методом акустической эмиссии

Как уже говорилось выше, одной из серьезных проблем, остающейся нерешенной при создании сильно нагруженных сверхпроводящих магнитных систем, является «тренировка» и «деградация» токов перехода в нормальное состояние. Для CMC с циклическим характером нагружения пондеромоторными силами изучение механических возмущений приобретает особую значимость. При создании и испытаниях модельной и полномасштабной обмоток индуктивного накопителя на 0,5-Ю,8 МДж нами были выявлены некоторые особенности возникновения механических возмущений, которые должны приниматься во внимание при создании подобных устройств с большими запасенными энергиями.

Принципиальная схема и параметры установки для измерения акустической эмиссии были приведены в этой главе выше.

5.4.1. Модельная катушка

Параметры модельной катушки приведены в разделе 5.3.2. Катушка испытывалась как в синусоидальном режиме изменения тока с амплитудой 2400 А в трех фиксированных частотных диапазонах 0,012 Гц; 0,03 Гц; 0,12 Гц, так и в режиме медленного заведения тока.

Во время испытаний производились измерения сигнала энергии механических возмущений, а также обрабатывалась компьютером аккумулированная (суммированная) энергия механических возмущений. На рис. 111 представлены временные зависимости нагружения модельной катушки при частоте 0,012 Гц (а), зарегистрированная энергия Е механических возмущений (б) и накопленная Е^ энергия (в). Как видно из рис. 111, максимальная величина энергии механических возмущений совпадает с максимальным значением тока, при этом при многократном циклировании (нагружении) катушки практически отсутствует эффект Кайзера. Наиболее вероятным механизмом, объясняющим полученные экспериментальные результаты, может быть трение между соседними витками или витками и каркасом и межслойной изоляцией.

Время, с б)

500-1

400300Е

200

100

1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г

О 120 240 260 480 600 Время, с

Рис. 111. Характер нагружения модельной катушки на частоте 0,012 Гц (а), энергия АЭ (б) и накопленная энергия механических возмущений (в)

На рис. 112 (а) и (б) представлена зависимость энергий Е и накопленных энергий Е2 от частоты циклирования. Максимальная энергия Е, индикатор величины импульсных возмущений, возросла приблизительно в сто раз, в то время, как сама частота изменилась в 10 раз с 0,012 до 0,12 Гц. Природа этого явления ясна не до конца. Так как энергия возмущения определяется не только амплитудой, но и продолжительностью, то представляется целесообразным в дальнейшем провести более детальное изучение обнаруженной закономерности. а) f, Гц

0 0,03 0,12 б) rlf, Гц

0 0,03 0,12

Рис. 112. Зависимость энергии АЭ (Е) и накопленной энергии (£V) от частоты циклирования

Модельная катушка была также исследована в режиме медленного заведения тока. На рис. 113 представлена временная зависимость энергии механических возмущений Е при изменении транспортного тока в течение 430 с. Скорость нагружения и вывода тока соответствовала частотному режиму 0,012 Гц. Максимальная величина энергии Е совпадает с амплитудным значением тока и имеет быстронарастающий пиковый характер в интервале от 0 до 60 с. Во время вывода тока (360+420 с) изменения Е носят более пологий характер. Во временном диапазоне (60+360 с) при dl/dt = 0 сигналы механических возмущений практически отсутствуют. Полученный результат хорошо согласуется с моделью пружины. Во время заведения тока под действием аксиальных пондеромоторных сил обмотка сжимается. Аксиальное трение, как правило, имеющее прерывистый характер, при 4,2 К, образует механические возмущения импульсного характера. Отсутствие деформаций в интервале сй/ск=0 характеризуется практически нулевой активностью сигналов акустической эмиссии. При выводе тока имеет место трение разжимания пружины - обратной деформации обмотки.

200 1

120 240 360

Время, с I

-ч—

480

1500 1200

900 600 300

I, А

600

Рис. 113. Временные зависимости тока и энергии АЭ (£) при медленном вводе/выводе тока

5.4.2. Полномасштабные катушки

В режиме медленного заведения тока мы наблюдали корреляцию энергии механических возмущений Е с током перехода в нормальное состояние. На рис. 114 представлена многократно зарегистрированная закономерность - резкий скачок энергии Е, наблюдаемый за несколько секунд до перехода обмотки в нормальное состояние. Нужно также иметь ввиду, что выделение энергии вследствие трения может быть вызвано не только деформациями отдельных витков, но и групп витков или секций обмотки, что приводит к переходам в нормальное состояние вследствие экстремально низкой теплоемкости материалов при 4,2 К.

Время, с

Рис. 114. Скачки энергии АЭ (Е) перед переходом обмотки в нормальное состояние

Как уже говорилось выше, циклический режим испытаний катушек накопителя состоял из трех основных стадий:

• Медленного заведения тока до определенного значения;

• Выдержки в течение 10ч-30 с;

• Взаимной многократной перекачки энергии из одной катушки в другую.

На рис. 115 представлены экспериментальные результаты измерений акустической эмиссии в циклическом режиме при начальном токе 1000 А. В начальный момент перекачки возникают пики энергии Е значительной интенсивности с постепенным затуханием, которое хорошо согласуется с уменьшением транспортного тока. Эта закономерность сохранялась в исследованом диапазоне начальных токов от 1550 А до 600 А. На рис. 115 хорошо видно, что энергии Е при медленном заведении тока значительно ниже энергий, возникающих в начальный момент перекачки из одной катушки в другую.

I.A

960

720

480

240

60 90 120 150

Время, с

60 90

Время, с

120

150

Рис. 115. Измерения энергии АЭ (а) и накопленной энергии АЭ (б) в полномасштабной катушке. Циклический режим работы, начальный ток 1000 А.

Важно отметить, что зарегистрированные механические возмущения импульсного характера суммируются в рабочем режиме с другими видами возмущений, в частности, с гистерезисными и кооперативными потерями, а следовательно, понижают устойчивость обмоток.

1-104Н

12-10

8-10

4-10 б) А

0 500 1500

0 500

1500

Рис. 116. Зависимость энергии АЭ (£) и накопленной энергии (Е от величины транспортного тока

На Рис. 116 (а) и (б) представлены измеренные и обработанные компьютером зависимости максимальной энергии Е и накопленной энергии £V от величины начального транспортного тока. Существует очень, сильная нелинейная зависимость максимальной энергии Е и, особенно, накопленной энергии от величины начального транспортного тока. Эта экспериментально обнаруженная закономерность имеет важное значение, т.к. одним из преимуществ сверхпроводящих индуктивных накопителей перед альтернативными источниками бесперебойного питания, Например, аккумуляторными батареями, является возможность быстрой многократной подзарядки, т.е. работы в циклическом режиме.

В связи с тем, что существует очень ограниченное количество работ по локализации механических возмущения в обмотках CMC, осуществление такой попытки на одной из полномасштабных обмоток накопителя представляло значительный интерес. Два датчика были установлены вблизи фланцев на внутреннем диаметре каркаса, рис. 117 (а). Месторасположение «очага» сигнала определялось по разности времени прохождения сигнала от источника возмущения (очага) до датчиков. Следует отметить, что эта методика заложена в программу используемой акустической установки. Зарегистрированные и обработанные компьютером данные представлены на рис. 117 (б). Важно пояснить, что одной точке на рис. 117 (б) соответствует одно событие или группа одноименных событий импульсного механического возмущения. тУ У I——— - 14 слоев -■■■■- 1 У У у Pi

Q> c\i У / f --— 1310 витков ^ У> S s> у S S s> S У У У> У у s

Ш L-0,42rH L^

St-"S -------J б) 80 60 2 40 20 0

Рис. 117. а). Схема установки датчиков АЭ для локализации областей с повышенной активностью механических возмущений б). Экспериментальная локализация областей с повышенной активностью механических возмущений в обмотке СМС-накопителя

В результате эксперимента было обнаружено три зоны повышенной активности: две рядом с фланцами и одна в центре катушки. Адекватной и логичной интерпретацией полученных результатов может быть деформация обмотки накопителя: максимальная аксиальная деформация вблизи фланцев и наибольшая радиальная деформация в центре. В центре обмотки также происходит максимальное уплотнение витков, что обуславливает повышенный уровень механических возмущений импульсного характера [221]. датчикич у J

0 120 240 360 480

X, мм

В диссертации на примере многочисленных CMC развито и экспериментально обосновано новое научное направление: принципы и методы создания CMC высокой надежности, в первую очередь для научного приборостроения и экспериментальной физики.

Систематически исследовано влияние размера, формы сечения и конструкции токонесущего элемента на предельные токи более 300 CMC различного назначения с запасенной энергией до 4 МДж и индукцией до 18 Тл при 4,2 К. Экспериментально исследовано влияние «размерного эффекта» на токи срыва CMC, изготовленных из проводников на основе ниобий-титана и ниобий-олова.

Тензометрическим методом изучена деформация ряда соленоидов в интервале температур от комнатной до жидкого гелия и в зависимости от уровня пондеромоторного нагружения. Обнаружено наличие слабого взаимодействия в радиальном направлении в «толстых» соленоидах (а > 1,5), что объясняет недостаточную эффективность радиального бандажирования. Одновременно практически продемонстрирована эффективность компенсации осевых пондеромоторных нагрузок.

Методом акустической эмиссии экспериментально изучены особенности развития механических импульсных возмущений для CMC различного назначения. На модельных и полномасштабных CMC обнаружена сильная зависимость амплитудных и накопленных энергий механических возмущений от рабочей частоты и величины транспортного тока. Осуществлена локализация импульсных возмущений как на самих обмотках CMC, так и на системах обмотка/бандаж.

Проведено экспериментальное сопоставление устойчивости CMC из проводников на основе ниобий-титана и ниобий-олова к механическим возмущениям, обусловленным высоким уровнем пондеромоторных нагрузок. Для обмоток из ниобий-олова цилиндрической формы обнаружена существенно большая устойчивость и, соответственно, плотность достигаемых токов.

Экспериментально исследовано влияние проводящего " экрана на переходные процессы в CMC (на примере соленоидов с индукцией 134-18 Тл). Обнаружено, что использование проводящего экрана в сочетании с развитым шунтированием радикально увеличивает электрическую надежность.

Разработаны и испытаны компактные СП-ключи, в которых использован проводник на основе ниобий-титана в медно-марганцевой матрице. По экономичности ключи в несколько раз превышают зарубежные аналоги.

Разработана и внедрена оригинальная технология создания CMC на основе ниобий-титановых проводников, позволяющая снижать энергию упругих деформаций (приводящих к образованию трещин в эпоксидном компаунде), возникающих при охлаждении обмотки до температуры жидкого гелия. Технология повышает стабильность предельных токов CMC, допускает неоднократное использование сверхпроводника. С ее использованием создано около 200 CMC лабораторного масштаба и средних размеров (до 4 МДж) различного назначения, в которых, как правило, токи короткого образца достигались без тренировки.

Экспериментально исследована возможность увеличения индукции магнитного поля и повышения надежности за счет использования проводников на основе ниобий-олова, изготовленных как по «бронзовой» технологии, так и с внутренними распределенными источниками подпитки. Практической реализацией исследований стало создание серий высоконадежных CMC на 10-^-12 Тл, 12-Т-13 Тл, 14-ь15 Тл (всего около 100). Была создано компактная CMC с индукцией 17,7 Тл при 4,2 К. CMC не уступает зарубежным аналогам по массогабаритным характеристикам.

Разработан ряд уникальных CMC для исследований по физике плазмы и УТС, в том числе, для гиротронов повышенной мощности и для систем с быстро изменяющимся (более 50 Тл/с) магнитным полем.

Практическое значение материалов диссертации подтверждается тем, что большинство описанных в диссертации CMC много лет надежно работает в российских и зарубежных научно-исследовательских центрах, а разработанные технологии их изготовления продолжают применяться при создании новых CMC.

Благодарности

Своим долгом автор считает отметить тяжкий труд научных консультаций своего бессменного руководителя, нач. отдела, д.т.н.

B.Е. Кейлина. Повседневная и многоплановая помощь на всех этапах работ была оказана сотрудниками моей лаборатории С.М. Микляевым и

C.А. Шевченко, а также коллегами по отделу О.П. Анашкиным, И.А. Ковалевым, В.И. Щербаковым, В.В. Лыковым.

Плодотворное сотрудничество при создании новых сверхпроводящих проводов проводилось с коллегами из ВНИИНМ им. Бочвара А.К. Шиковым, А.Е. Воробьевой, JI.B. Потаниной, а также в тесной кооперации с коллективом ВНИИКП в лице В.Е. Сытникова и А.В. Рычагова.

На последних этапах работы много полезных замечаний и организационных предложений было выработано в тесной кооперации с сотрудниками ИЯФ им. Будкера.

1. Черноплеков Н.А, УФН, № 6, Том 172, с. 716, 2002 г.

2. Губкин И.Н., «Ниобий-титановые сверхпроводники для ускорителей (обзор материалов зарубежных публикаций)», вып. 2 (141), с. 4-7, Москва, ВНИИНМ, 1992 г.

3. М. Chiba et al., «R & D on NbTi and Nb3Sn Superconductors for AC Use in Super GM», Proceedings of the 16 CEC/JCMC, Elsevier Science, 1997, pa.it 3, pp. 1847-1850.

4. S.F. Krai, Y. Karasik et al., «Alaska SMES: Form and Function for the Wold's Largest Magnet», Adv. in Cry. Engineering, Plenum Press, Volume 43 B, pp. 1047-1076.

5. H. Hayashi et al., «Test Results of Elementary Coils for Toroidal SMES», Adv. in Cry. Engineering, Plenum Press, Volume 43 B, pp. 1083-1091.

6. P.J. Lee, D.C. Larbalestier, J.C. Mc. Kinnelland and A.D. Mc. Inturff, «Microstructure property relationshp in Nb-Ti-Ta», IEEE Trans. Лр>р1. Superconductivity, Vol. 3, N 1, Mar 1993, pp. 1354-1357.

7. A.K. Шиков, В.И. Панцирный, А.Г. Силаев, «Композиционные технические проводники на основе Nb3Sn», Труды РЭЛК, Секция; 95 1999, с. 25-26.

8. Seung Hong, Michael B. Field et al., «Latest improvements of current carrying capability of Niobium-Tin and its magnetic applications», IEEE Trans. Appl. Superconductivity, June 2006, Vol. 16, pp. 1146-1151.

9. L. Bromberg, J.H. Scultz, «ARIES CS Magnetos», MIT Plasma Science and Fusion Center, ARIES MEETING, Dec 2003.

10. A. Nikulin, V. Pantsyrnyi, G. Vedernikov, «Russian Superconducting Materials for Magnet System of Fusion Reactors», Journal of Nuclear Materials, Vol. 283-287, pp. 968-972, 2000.

11. A. Shikov, A. Nikulin, V. Pantsyrnyi, A. Vorobieva, O. Malafeeva, «Improvements of (Nb,Ti)3Sn Bronze Processed Superconducting Performance», IEEE Trans, on Appl. Superconductivity, June 1999, Vol. 9, N2, pp. 1441-1443.

12. D. Bessette, N. Mitchell, E. Zapretilina, H. Takigami, «Conductors of the ITER magnets», IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 11, N 1, pp. 1550-1553, Mar 2001.

13. Iwaki, I. Sato, S. Inaba, «Development of Bronze processed Nb3Sn Superconducting Wires for High Field Magnets», IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 12, N 1, pp. 1045-1048, Mar 2002.

14. J.A. Parell, Y. Zhang, M.B. Field et al., «High field Nb3Sn conductors development at Oxford Superconducting Technology», IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 13, N 2, pp. 3470-3473, June 2003.

15. J.A. Parell, M.B. Field et al., «Advances in Nb3Sn strand for fusion and particle accelerator applications», IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 15, N 2, pp. 1200-1204, June 2005.

16. V. Pantsyrnyi, A. Nikulin, A. Shikov et al., «Internal-Tin Nb3Sn Superconductors Design for Fusion Applications», Advances in Cryogenic Engineering Materials, Vol. 46 B, pp. 989-994, 2000.

17. A. Shikov, V. Pantsyrnyi et al., «Design of Internal-Tin Nb3Sn Current Switch and Strand for Accelerator Magnets», IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 10, N 1, pp. 996-998, Mar 2000.

18. Old. C.F., Charlesworth J.P., «The breaking strain of 3Mb3Sn in multifilamentary superconductor», Cryogenics, Vol. 16, N 8, pp. 469-473,1976.

19. Scmidt C., «Investigations of the Training Problem of Superconducting Magnets», Appl. Phys. Lett., Vol. 28. N 8, pp. 463-465, 1976.

20. Evans D., «An Hypothes Concerning the Training Phenomen Observed in Superconducting Magnets», Rutherford Laboratory Report, Rh-73-092, 1973.

21. Heim J.R., «Superconducting Coil Training and Instabilities due to Baushinger Effect», Appl. Supercond. Conf., Report D-3, 1974.

22. Ekin J.W., Ficket F.R., Clark A.F., «Effect of Stress on the Nb-Ti Multifilamentary Composite Wire», Adv. Cryog. Eng., V. 22, pp. 449-452,1977.

23. Ekin J.W., «Mechanism for Critical Current Degradation in Nb-Ti and Nb3Sn Multifilamentary Composite Wires», IEEE Trans. Magn., MAG-13, N l,pp. 127-130, 1977.

24. H. Fukushima, A. Ibi, H. Takahashi, «GdBCO and YBCO long coated conductors and coils», Physica С 463-465, 2007, pp. 501-504.

25. Larbalestier D.C., Magraw J.E., Wilson M.N., «The influence of tensile stress on the critical current filamentary Nb3Sn magnet conductor», IEEE Trans, on Magn., MAG-13, N 1, pp. 462-466, 1977.

26. Okada Т., «Effects on perfomance of superconducting wires», Proc. 6th Intern. Conf. Magnet Technology MT-6, Br: ALFA, pp. 1039-1044, 1977.

27. Buchler E., Levinstein M.J., «Efffect of tensile stress on the transition temperature and current-carring capacity of Nb3Sn>>, J. Appl. Phys., V. 36, N 12, pp. 3856-3860.

28. Rupp G., «Enhancement of the critical current of multifilamentary Nb3Sn conductors by tensile stress», J. Appl. Phys., V, 48, N 9, pp. 3858-3863, 1977.

29. T. Takeuchi, N. Bano, A. Kikuchi et al., «External and Internal Stabilization Methods of RHQT Nb3Al Superconductors», Advances in Cryogenic

30. Engineering: Transactions of the International Cryogenic Materials Conference ICMC, 2004, Volume 711, pp. 500-507.

31. T. Takeuchi, Superconductors. Sci. Technol., V 13, pp. 101-119 (2000).

32. T. Miyazaki et al., «Improvement of bronze processed Nb3Sn superconductors for 1 GHz NMR magnets», CES/JCMC 44, pp. 935-941, 1998.

33. Сурин М.И., «К вопросу о проявлении размерного эффекта в сверхпроводящих соленоидах», ВАНТ, 1988, Выпуск 2(42), с. 143.

34. JI.K. Ковалёв, К.Л. Ковалёв, С.М.-А. Конеев, В.Т. Пенкин, В.Н. Полтавец, «Электромеханические преобразователи на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников», Москва, Издательство МАИ-ПРИНТ, 2008 г., 440 с.

35. Андреев В., Бондаренко И., Бондарчук Е., Труды второй всесоюзной конференции по инженерным проблемам энергетических ресурсов (Ленинград 23-25 июня, 1981), НИИЭФА, 1982, V.I.P.6.

36. Клименко Е.Ю, Черноплеков Н.А., Никулин А.Д. и др., Атомная энергия, 1987, т. 63(4), с. 248.

37. Okino К., Shikov A., Report presented at JCFRM-2003, Kioto, Dec 2003.

38. Glowacki В., Evetts J., «Tin Supply and Microstructure Development During Reaction of an External Tin Process NbsSn Multifilamentary Composite», J. Mater. Sci., 1988, V. 23. pp. 1961-1966.

39. Shikov A., Nikulin A., Silaeva A et al., «Magnet System», J. Nucl. Mater 1998, V. 258-263, pp. 1929-1934.

40. Suenaga M., Sampson W., Appl. Phys. Lett., 1972, V. 20, pp. 442-444.

41. Hahimoto Y., Yoshizaki K., Taguchi O., Tanaka M., JCEC-5/JCMC. 1974, pp. 332-335.

42. Bobrov E. S., Williams J.E.C., «Magnet System of the 500 MHz NMR spectrometer at the Francis Magnet Laboratory», Rev. Sci. Instr., V. 52. N 5, pp. 657-661, 1981.

43. Hale J.R. and Williams J.E.C., «The transient stabilization of Nb3Sn composite ribbon magnets», J. Appl. Phys., Vol. 39, pp. 2634-2638 (1968).

44. Pantsyrnyi V., Nikulin A., Shikov A. et al. Internal-Tin Nb3Sn Superconductors Designed for Fusion Applications, Advances in Cryogenic Engineering (Materials), 2000, V. 46B, pp. 989-994.

45. А.К. Шиков, «Сверхпроводящие материалы сегодня и завтра», Наука и техника, 2004.

46. Vysotsky V.S., Takayasu М. et al., «New method of current distribution studies for RRL of multistrand superconducting cables», IEEE Trans. Appl. Supercond., V 5, N 2, pp. 580-583, 1995.

47. Vysotsky V.S., Takayasu M. et al., «On the position of apparent current center inside CICC during external magnetic field ramp», Advances in Cryogenic Engineering, V 42, pp. 1249-1256, 1996.

48. Anashkin O.P., Keilin V.E., Surin M.I., Shleifman V.Kh., «The Development and Investigation of Superconducting Magnetic Systems for Physical Experiments», Cryogenics, 1979, Vol. 19, N 7, pp. 405-410.

49. Vysotsky V.S., Takayasu M. et al., «Jumps of the local magnetic field near CICC during external magnetic field ramp and there connection with the RRL», Advances in Cryogenic Engineering, V 42, pp. 1257-1264, 1996.

50. Vysotsky V.S., Takayasu M. et al., «Measurements of current distribution in a 12T strand Nb3Sn Cable-in-Conduct conductor», Cryogenics, V 37, N 8, pp. 431-439, 1997.

51. Vysotsky V.S., Balsamo E.P. et al., «Experimental study of the current redistribution inside Nb3Sn CICC of an ITER relevant magnet in pulsed operation», IEEE Trans, on Appl. Supercond., Vol. 10. N 2, pp. 1598-1601, 2000.

52. Carl H. Rosner, «Emerging 21st Century Market and Outlook for Applied Superconductivity Products», Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 43, 1998.

53. M.J. Park, S.Y. Kwak, W.S. Kim et al., «Fabrication and test a 600 kJ SMES model coil», Physica С, V 463-465 (2007), pp. 1247-1251.

54. Bebnorz J.G., Muller K.A.Z., Phys. В, 1986, v. 64, pp. 189-193.

55. Wu M.K. et. al., Phis. rev. Lett., 1987, v. 58, p. 908.

56. Малоземов А.П. и др., «Высокотемпературная сверхпроводимость», Москва, Мир, 1988.

57. Лихарев К.К., Черноплеков Н.А., «Перспективы практического применения высокотемпературной сверхпроводимости». Ж. Всес. хим. общества им. Менделеева, 1989, т. 34, № 34, с. 446-450.

58. Montgomery D.B., «The future prospects for large scale applications of superconductivity», International Journal of Superconductivity: Research and Development, N 9-10, 1998, pp. 78-92.

59. Черноплеков H.A., Вестник РАН, 71, с. 303 (2001).

60. Т. Masuda et al., «Verification Test result of 66 kV 3-core High Tc Superconducting Cable», 2003, IEEJ National convention 7-094, 7-095.

61. F. Hornung, М. Klaser and Т. Schneider, «Usage of Bi-HTS in High Field Magnets», IEEE Transaction on Applied Superconductivity, June 2004, Vol. 14, N2, pp. 1102-1105.

62. Черноплеков H.A. и др., «Перспективные виды электрического оборудования для передачи и распределения электроэнергии», Труды

63. M. Ono et al., «Status of a cryocooler-cooled HTS magnet with Ag-sheathed Bi2223 tapes for single crystal growth applications», Physica С, V 357-360 (2001) part 2, pp. 1281-1288.

64. T. Masuda et al., «Implementation of 2000 A Class High-Tc Current Leads for the Superconducting Compact SR Ring «NIJI-З», Advance in Superconductivity VIII, p. 1235 (1995).

65. Noe M., Steurer M., «High-temperature superconductor fault limiters: concept, applications, and development status», Supercond. Sci. Technol., V 20(2007), pp. 15-29.

66. Bock J. et al., «CURL-10: Development Field-Test of a 10 kV/10 MVA resistive current limiter based on bulk MCP-BSCCO 2212», IEEE Transaction onAppl. Superconductivity, 2005, V 15, N 2, pp. 1955-1960.

67. Уилсон M., «Сверхпроводящие магниты», Москва, Мир, 1985, 408 с.

68. Брехна Г., «Сверхпроводящие магнитные системы», Москва, Мир, 1976, 794 с.82.