Разработка сверхпроводящих магнитных систем индуктивных накопителей энергии и термоядерных установок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ ИМ. Д.В. ЕФРЕМОВА

Па правах рукописи

РАЗРАБОТКА СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ ИНДУКТИВНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ И ТЕРМОЯДЕРНЫХ

УСТАНОВОК

01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в ФГУП «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова», г. Санкт-Петербург

Официальные оппоненты: доктор технических наук, чл. корр. РАН

Чуираева Лидия Игоревна

Защита диссертации состоится 25 октября 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.201.006.01 при ФГУП «Научио-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова» в помещении Дома Ученых НИИЭФА (196641, Санкт-Петербург, пос. Металлострой, ул. Полевая, д. 12).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЭФА. Автореферат разослан « СЛ/Щ.2006 г.

Ученый секретарь доктор технических наук, профессор

диссертационного совета V/ Шукейло И.А.

доктор технических наук, профессор Коровкин Николай Владимирович

доктор технических наук, профессор Шакарян Юрий Гевондович

Ведущая организация: Государственный научный центр Российской

Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

Актуальность работы. Сверхпроводящие электромагнитные системы (ЭМС) термоядерных реакторов-токамаков и сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН) являются двумя родственными направлениями крупномасштабного применения сверхпроводниковых технологий в электроэнергетике, дальнейшее развитие которых во многом определит облик энергетики будущего в сферах генерации и управления потоками электроэнергии.

Ключевым этапом на пути освоения термоядерной энергетики явится создание Международного экспериментального реактсра-токамака ИТЭР, к строительству которого в рамках межправительственных соглашений в

' 2007 г. приступают ведущие научные и промышленные организации из стран Европейского сообщества, Японии, России, США, Китая и Южной Кореи. В ИТЭР, как и в реакторах для промышленных электростанций, формирование и магнитное удержание термоядерной плазмы обеспечивает магнитное поле с индукцией до 13 Тл, генерируемое ЭМС. Все обмотки ЭМС ИТЭР для снижения омических потерь энергии необходимо должны быть сверхпроводящими и способными работать под воздействием нестационарного магнитного поля, изменяющегося во времени со скоростью до 0,5-1 Тл/с. В связи с этим конструкция ЭМС ИТЭР учитывает как опыт создания первого в мире сверхпроводящего токамака Т-7, разработанного в РНЦ «Курчатовский институт», и последовавшего за ним сверхпроводящего токамака Т-15, так и опыт предшествующих разработок СПИН с малыми потерями энергии при быстром изменении магнитного поля.

^ Создание сильного магнитного поля с помощью электромагнита или накопление в нем энергии неразрывно связано с необходимостью восприятия пондеромоторных сил, действующих на обмоточные проводники. Для сверхпроводящих ЭМС восприятие этих сил осложняется малой теплоемкостью конструкционных материалов при низких температурах. Тепловые возмущения плотностью даже в несколько мДж/см3 способны

вызвать локальный перегрев сверхпроводника выше критической температуры и переход обмотки в нормальное состояние. Разработка конструкции и технологии сверхпроводящих ЭМС с нестационарными магнитными полями и запасенной энергией в сотни и тысячи МДж, стабилизированных относительно этих возмущений, требуется как для ИТЭР, так и СПИН, способных работать в качестае регуляторов активно-реактивной мощности в электроэнергетических передающих линиях и системах для обеспечения надежного безаварийного снабжения потребителей качественной энергией, которое в условиях рыночной экономики становится I все более актуальным.

Целью работы является разработка принципов построения конструкции и технологии сверхпроводящих сильноточных высоковольтных электромагнитных систем со скоростями изменения магнитного поля в обмотках до 1-2Тл/с, их экспериментальная проверка на модельных, прототипных и головных образцах и доведение до уровня, позволяющего непосредственно приступить к рабочему проектированию и сооружению ЭМС термоядерного реактора ИТЭР и СПИН для применения в электроэнергетических сетях и системах.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Теоретические и экспериментальные исследования в обоснование мер по обеспечению стабильности обмоточных сверхпроводников для СПИН и токамаков и уменьшению выделяющихся в них кооперативных потерь энергии.

2. Разработка конструкции и технологии многоцелевых компаундированных соленоидов с нестационарными магнитными полями из сверхпроводников с внутренней стабилизацией; создание и проведение исследований головных образцов, включая ресурсные испытания.

3. Разработка и создание высоковольтных сильноточных криогенных токовводов и компонентов системы электроизоляции для СПИН и токамаков.

4. Проведение НИОКР по разработке и экспериментальной проверке конструкционных решений и технологий сверхпроводящих ЭМС, закладываемых в проект ИТЭР, в части создания и испытаний модельной катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР.

5. Расчетно-теоретические исследования по определению конфигураций ЭМС, обеспечивающих минимум суммарных капитальных затрат на сооружение СПИН как комплексного устройства, включая стоимость ЭМС, криостата и системы криообеспечения.

6. Разработка принципов построения и конфигурации СПИН для сетевых регуляторов активно-реактивной мощности энергоемкостью 30-1500 МДж и мощностью 10-120 МВт.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту 1. Впервые предложен принцип расчета распределения электрического поля и плотности токов в обмоточных сверхпроводниках, исходя из условий для напряженности электрического поля на границах сверхпроводник-матрица при предельном переходе к бесконечно тонким сверхпроводящим волокнам, с применением которого (а) впервые получено строгое (самосогласованное) решение задачи о потерях энергии в сверхпроводящих многоволоконных проводах (СМП) при переходе части волокон в резистивное состояние; (б) разработаны методы практического расчета потерь энергии в СМП с многослойной матрицей и проведен количественный анализ эффективности применения резистивных барьеров для снижения потерь энергии; (в) теоретически предсказано и экспериментально подтверждено влияние направлений и шагов скрутки на величину кооперативных потерь энергии в сверхпроводящих пропаянных кабелях.

2. Предложены принципы устранения деградации сверхпроводящих обмоток из-за неравномерности распределения токов по элементам обмоточных кабелей, разработаны расчетные методы и создана стендовая установка для испытаний пилотных образцов обмоточных сверхпроводников с целью выявления и предотвращения деградации ещё на стадии проектирования обмоток.

3. Выявлена причина и приняты меры по устранению деградации сверхпроводящих обмоточных кабелей с электрически изолированными друг от друга жилами; разработана конструкция и технология компаундированных обмоток СПИН, сохраняющих сверхпроводимость при скоростях изменения магнитного поля 1-2Тл/с и отличающихся минимальностью кооперативных потерь энергии в обмоточных кабелях.

4. Разработаны принципы построения конструкции и создан головной опытно-промышленный образец многоцелевого сверхпроводящего компаундированного соленоида с нестационарным магнитным полем и запасом энергии 12МДж, который по совокупности конструктивных признаков может быть отнесен к новому типу.

5. Впервые предложен и реализован при испытаниях проводника СПИН на 100 МДж метод исследования механического поведения сверхпроводящего кабеля внутри оболочки путем измерения распределения напряженности электрического поля на поверхности оболочки при приложении треугольных импульсов поперечного магнитного поля, позволяющий уточнить требования к необходимому запасу стабильности кабеля относительно тепловых возмущений, обусловленных механическими движениями жил кабеля.

6. Проведено исследование по выбору конструкции теплообменников токоведущих частей, разработан новый тип проходных изоляторов с газонаполненными электроизоляционными промежутками и освоен опытно-промышленный выпуск криогенных высоковольтных токовводов

на ток 2-80 кА рабочее напряжение до 30 кВ для СПИН и токамаков.

7. Реализован гак часть программы НИОКР в обоснование проектирования международного токамака ИТЭР проект Модельной катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР, в ходе выполнения которого получили экспериментальную проверку принципы построения конструкции и новые технологии, закладываемые в проект ЭМС ИТЭР.

8. Разработана методика оптимизации конфигурации обмоток для обеспечения наилучших технико-экономических характеристик СПИН как комплексных устройств с учетом и без учета ограничения на диаметр витков по условиям заводского изготовления и/или транспортировки СПИН, с применением которой обоснована концепция типового ряда СПИН для применения в электроэнергетических сетях, предусматривающая создание унифицированного многофункционального модуля СПИН энергоемкостью 30-60 МДж и составление СПИН энергоемкостью до 1500 МДж из таких типовых модулей. Впервые предложены и проанализированы специальные типы обмоток для применения в транспортабельных СПИН без внешних магнитных шлей в виде системы коаксиальных активно экранированных цилиндрических катушек и «вытянутых» Б-образных тороидальных катушек с дополнительными вложенными секциями.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных НИОКР дают возможность приступить к участию в рабочем проектировании и сооружении ' ЭМС международного токамака ИТЭР, а также СПИН энергоемкостью вплоть до 1500 МДж для применения в электроэнергетических сетях и системах. Разработанные конструкции и технологии сверхпроводящих соленоидов с нестационарными магнитными полями, криогенные токовводы и технологическое оборудование пригодны для применения при создании широкого класса ЭМС других назначений с магнитными полями до 13 Тл в апертуре до 1 м на рабочий ток 2-80 кА и напряжение до 30 кВ.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

• действующей во ФГУП «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова» системой обеспечения качества;

• успешной эксплуатацией разработанных устройств на испытательных стендах и в исследовательских установках;

• сравнением результатов расчетов с данными экспериментальных исследований;

® техническим контролем заказчика при сдаче-приемке договорных НИР и ОКР, включая выполненные по международным контрактам и контрактам ИТЭР.

Личный вклад автора. Приведенные в работе результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии в качестве ответственного исполнителя, начальника отдела сверхпроводящих магнитных систем, научного руководителя проектов СПИН, КВПТО, зарядного соленоида ЬЭХ и координатора НИОКР по магнитной системе ИТЭРвРФ.

Апробация результатов и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на З-УЫ международных конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов (ИПТР) в период с 1974 по 2002 гг.; по магнитной технологии (МТ-12, 1991 г., в СССР; МТ-15, 1997 г. в Китае; МТ-16, 1999 г., в США; МТ-17,2000 г., в Швейцарии); по Проблемам прикладной сверхпроводимости (А8С-2002 и АБС-2004, в США); на технических совещаниях Международных рабочих групп ИТЭР по проводнику и модельным катушкам ИТЭР в период с 1989 по 2003 гг.; на тематической международной конференции по криогенным материалам в 1998 г. в Университете Твенте, Голландия.

Основные результаты диссертации опубликованы в 51 работе, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, научная новизна и положения, выносимые на защиту, практическая ценность полученных результатов.

Первая глава посвящена введению в состояние разработок и проблемы создания СПИН и сверхпроводящих ЭМС реакторов-токамаков. Опыт разработки сверхпроводящих токамаков первого поколения позволил в ходе проработки проектов отечественных сверхпроводящих токамаков Т-20, ОТР и международного ИНТОР к началу работ над международным токамаком ИТЭР наметить контуры конструктивных решений ЭМС для реакторов будущих промышленных термоядерных электростанций и обосновать необходимость освоения дяя их создания (а) обмоточных сверхпроводников с циркуляционным охлаждением на рабочий ток 40-70 кА в магнитном поле с индукцией до 12-13 Тл, обладающих малыми потерями энергии при скоростях изменения магнитного поля в обмотках до 1-2 Тл/с, что требуется для обеспечения компактности и приемлемой стоимости реактора; (б) системы электроизоляции обмоток и токовводов на класс напряжения 10-15 кВ, развивающегося при выводе энергии для защиты обмоток от повреждений при возникновении в них нормальной фазы.

Основной задачей ИТЭР является экспериментальное подтверждение физических принципов и инженерных решений реакторов с концепцией токамака, непосредственно предшествующее сооружению демонстрационного реактора - прототипа промышленной электростанции на основе УТС.

Центральный соленоид (ЦС)

Бланквт Вакуумная камера

Опора вакуумной камеры Обмотка тороидального поля

Опора обмотки тороидального поля (ОТП)

Токовые м гелиевые Коммуникации

Первая стенка

Дивертор

Обмотхи

пояоидального поля (ОПП)

Рис. 1. Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР

Выбранные варианты обмоточных сверхпроводников ИТЭР основаны на дальнейшем развитии и доработке принципов построения конструкции проводников для установок ИНТОР, POLO (Франция), и ОТР (Россия).

Проводник ОТП Проводник ЦС

Nb,Sn; 68 к-А; 11,5 Тл Nb,Sn; 46 кА; 13,5 Тл

<9,5

Проводник ОПП ' NbTi; 40 кА; 63 Тл

_...............53,8..............

38,2

г ч

/

Базовые металлокомпознтные провода (стренды)

Nb,Sn

1 сверхпроводящие и медные стренды; 2 центральная спираль: 5 обкрутка стальной лентой: 4 оболочка кабеля; 5 изоляция

NbTi

Рис. 2. Обмоточные сверхпроводники ИТЭР

На стадии технического проекта ИТЭР (1993-2003гг.) перед разработчиками ЭМС встала необходимость проведения крупномасштабных НИОКР со следующими общими задачами:

— освоить опытно-промышленный уровень производства полномасштабных обмоточных сверхпроводников ИТЭР, разработать и создать необходимые технологии, технологическое оборудование, меры и средства сквозного контроля качества проводников ИТЭР;

— разработать и апробировать технологию изготовления обмоток ЭМС ИТЭР и их компонентов, как-то: электрических межсекционных контактных соединений обмоточных сверхпроводников, соединений и электроизоляционных развязок криогенной обвязки ЭМС, конструкционных и электроизоляционных материалов, технологию «намотка-отжиг-изолировка-переукладка» обмоток из М^Бп проводников, методы и средства контроля качества обмоток ЭМС ИТЭР;

— экспериментально убедиться в работоспособности разработанных и выпущенных в представительном объеме опытно-промышленных партий полномасштабных проводников ИТЭР в условиях, соответствующих рабочим для ЭМС ИТЭР по величине индукции магнитного поля, скорости её изменения во времени, плотности тока и напряженно-деформированному состоянию путем создания и испытаний Модельных катушек.

Комплекс этих работ в России был выполнен в ходе создания и испытаний на | международном стенде ИТЭР в Японии Модельной катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР, которой посвящена глава 4 данной работы.

Состояние разработок СПИН отражает диаграмма на рис. 4. В 70-тых годах получили интенсивное развитие СПИН модульного типа для мощных (101О-1012Вт) импульсных систем питания экспериментальных термоядерных установок. Разработанные модули СПИН энергоемкостью 1-5 МДж могут

• -реализованные проекты, действующие установки

О- сооружаемые установки

О- проектные разработки, НИР на макетах и моделях

резистивные и криорезистнвные индуктивные накопители производства НИИЭФА

Экспериментальные импульсные СПИН (11ИИЭФА, ТРИШП'И, ИВТРАН, Р]Щ"КИ")

Коммерческие "микро"-СПИН (США)

Энергоемкость, № (Дж)

\ "Вращающимся

\ резерв": гикоьие ^ электростанции Стабилизация иотностм, и напряжения а электросетях

Аккумулирующие эяеитросганции; г выравииваиие графика . нагрузки а масштабах . энергосистемы

Энергоемкость, VI/ (МВт ч)

1 - опытно-промышленный СПИН для повышения пропускной способности ЛЭП (США)

2 -отечественные многоцелевые сверхпроводящие соленоиды (НИИЭФА)

3 - СПИН для статической и динамической стабилизации энергосетей (США, Япония. Германия)

ф- модули СПИН, требующиеся ян систем электродинамического разгона при выводе полезного груза на околоземную орбиту

© ~ область параметров СПИН, определенная ОАО "Энсргоестьпроскт" как представляющая практический ишерес да повышения режимной надежное™ крупных узлов нагрузка, увеличения пропускной способности слабых межеиетемнш связей, обеспечения статической и динамической устойчивости реальных сетей ОАО 'ФСК ЕЭС

Рис. 3. Диаграмма в координатах "мощность-энергоемкость", которая отражает состояние разработок СПИН для электроэнергетических сетей (@ ) в сравнении с разработками индуктивных накопителей для импульсных систем питания электрофизических установок (•) и с аналогами - сверхпроводящей магнитной системой термоядерного реактора ИТЭР Сйг) и

ей модельных катушек (*•).

служить прототипами для создания, при необходимости, отечественных «микро»-СПИН для обеспечения бесперебойного энергоснабжения потребителей, чувствительных к кратковременным провалам напряжения и перерывам питания. По данным ОАО «Энергосетьпроект» для условий России наибольший практический интерес представляет применение СПИН энергоемкостью 300-500 МДж и мощностью 30-120 МВт для увеличения пропускной способности слабых межсистемных связей и обеспечения статической и динамической устойчивости электроэнергетических сетей. Основными проблемами создания таких СПИН из сверхпроводников с внутренней стабилизацией являются устранение деградации под действием пондеромоторных сил и обеспечение сохранения сверхпроводимости при скоростях изменения поля 1-2 Тл/с. Разработанные в НИИЭФА конструкция и технология требующихся обмоток с погружным охлаждением прошли проверку при создании экспериментальных СПИН и головного опытно-промышленного образца многоцелевого соленоида энергоемкостью 12 МДж. Изготовленный в НИИЭФА соленоид с 2004 г. эксплуатируется в США в составе плазмофизической установки 1ЛЭХ для индукционного заряда левитирующего соленоида.

Разработки СПИН с циркуляционным охлаждением для энергосетей были совмещены с НИОКР в обоснование проектирования ЭМС токамака ОТР и, в дальнейшем, ИТЭР. Энергоемкость ЭМС этих токамаков достигает 40-60 ГДж, а режимы работы совпадают с требующимися для СПИН.

I Успешное завершение в 2003 г. программы Модельных катушек ИТЭР с энергоемкостью 640 МДж дает возможность непосредственно приступить как к сооружению ИТЭР, так и СПИН на энергоемкость вплоть до 1500 МДж. Таким образом, к 2005 г. были освоены две технологии, открывающие возможность практического внедрения СПИН в промышленные сети. В гл. 5 данной работы обосновывается концепция «типового ряда» СПИН, предусматривающая на первом этапе создание и

проведение испытаний модуля на 30-60 МДж и последующее составление СПИН на 500-1500 МДж из таких типовых модулей.

Глава 2 посвящена расчетным и экспериментальным исследованиям в обоснование выбора конструкции обмоточных сверхпроводников для СПИН и токамаков.

В разделе 2.1 рассматриваются разработанные автором методы расчета потерь энергии в обмоточных сверхпроводниках под воздействием изменяющегося во времени магнитного поля. Для учета влияния особенностей конструкции проводника на энергопотери известные на начало работы расчетные методики нуждались в доработке. В серии работ [1]-[9] автором предложен и использован подход к расчету кооперативных токов и потерь энергии в сверхпроводящих многоволоконных проводах (СМП) и кабелях на их основе как к краевой задаче, во главе угла которой стоит учет условий на границе раздела сверхпроводящее волокно (СПВ) - нормальная матрица при макроскопическом усреднении, основные положения которого поясняет рис. 4. Потери энергии в обмоточных сверхпроводниках могут быть вычислены по следующей схеме:

1) определение «базового» поля Е' в предположении отсутствия СПВ в проводнике;

2) вычисление и с помощью (2), (3);

3) определение £"**=-Уи, Е = Е*+Е" и плотности токов У = а Е;

4) определение токов, протекающих вдоль СПВ из условия сИч}=0 или (¡щ,, =-ЛЧух;

5) вычисление мощности потерь энергии в матрице Р = ja^E2dl£мn,

мощности «гистерезисных» потерь в ненасыщенных СПВ Р/, и «квазигистерезисных» потерь в «насыщенных» СПВ Рф — .

N. с/, Я', <1 = (Ж.ЫШ*)*''*1 — число и диаметр реальных и условных СПВ соответственно. Условие для напряженности макроскопического электрического поля е на границе СПВ -матрица при предельном переходе со, г/" ~>0 принимает вид:

Е„=е(]„), (1)

где е{]) — вольт-амперная характеристика (ВАХ) сверхпроводника, замещающая закон Ома в уравнениях Максвелла. Пусть «базовое» поле е' является решением уравнений Максвелла в отсутствие СПВ. Учет условия (1):

(а) в области размещения СПВ "= + (2)

(б) в области, не содержащей СПВ У2ы = 0 (3)

«Дополнительное» поле е "= -V« в сумме с «базовым» полем е обеспечивает выполнение условия (1) в области размещения СПВ.

Ррзистивиов! 'состояние |

I. )

Идеализированная ступенчатая (сплошная линия) и «размытая» (штриховая линия) ВАХ сверхпроводника

СПБ не "насыщены"* (СП-состояние)

Е=Е-*Е-

СПВ "иасьпценьГ (резнстявное состояние)

Е,

Е=Е-.Е'

Рис. 4. Основные положения предложенного подхода к расчету электрического поля и потерь энергии в сверхпроводящих многоволоконных проводниках (СМП)

При «насыщении» СГГВ в общем случае требуется организация расчета по п.п. 2)-4) последовательными приближениями [1]. Для идеализированных «ступенчатых» вольт-амперных характеристик (ВАХ) сверхпроводника вместо этого иногда удается составить и решить систему уравнений для баланса токов в СПВ на границах «насыщенных» областей и баланса падения напряжения в матрице вдоль СПВ [2]. Предложенный подход дает возможность решения задач на определение электрического поля, плотности токов и потерь энергии в СМП и кабельных скрутках, включая случаи, когда применение других методик вызывает затруднения, а именно:

- в отсутствие геометрической или электрической симметрии задачи (например, при насыщении СМП, несущего транспортный ток в изменяющемся во времени поперечном магнитном поле);

- при произвольных ВАХ сверхпроводника.

Разработанная методика применена при практических расчетах потерь энергии в обмоточных сверхпроводниках [1-6], представленных на рис. 5. Для СМП сложных конструкций (рис. 5,а-ж) разработан компьютерный код РЬЯМРС [1]. На рис.6 показано сравнение результатов, полученных с его помощью и по известным формулам М. Вилсона для СМП простой конструкции. На рис. 7 приведены результаты расчетного исследования эффективности применения резистивных барьеров двух типов [3]. Впервые получено строгое решение задачи о потерях энергии в трубчатом СМП (рис. 8), несущем транспортный ток при докритических и сверхкритических скоростях изменения приложенного магнитного поля с учетом зависимости от температуры (рис.9). Строго доказана (рис.10) целесообразность однонаправленной скрутки повивов сверхпроводящего кабеля рис. 5,л [5]. Теоретически предсказана [6] и экспериментально подтверждена целесообразность скрутки кабеля (рис. 5,м) и твистнрования составляющих его СМП в одну сторону.

МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫЕ МНОГОВОЛОКОННЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКИ КРУГОВОГО СЕЧЕНИЯ

сверхпроводящая стабилизирующий кластерные металлокомпозиция металл резисгивные барьеры

а)

б)

резисгивные барьеры <

в)

,0

д)

е)

ж)

плоский

ТРАНСПОНИРОВАННЫЙ ПРОВОД

д ■ инияя^уйй^я

з)

ТОНКОСТЕННЫЕ ТРУ БЧАТЫЕ НОРМАЛЬНЫЕ ПРОВОДА И СВЕРХПРОВОДНИКИ

твистиро ванные резистивные барьеры'

ПРОСТАЯ МНОГОПОВИВНАЯ ПРОСТАЯ ПРАВИЛЬНАЯ СКРУТКА

СКРУТКА СВЕРХПРОВОДНИКОВ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

л) м)

Рис. 5. Рассмотренные типы обмоточных сверхпроводников.

Рис. 6. Результаты расчета с помощью кода РЬГШРС (1) в сравнении с расчетом по формулам М. Вилсона (2,3) и «эмпирическим» методикам (4)

Рис. 7. Расчетное отношение потерь энергии в СМП с резистивными чехлами (а,1) и барьерами (6,2) к потерям в СМП без резистивных элементов от отношения площади сечения резистивных элементов к площади сечения медного чехла к,

б)

СМП

Нормально проводящая труба

С)

-'-СГ • -

,/Л

ш^шШ

Оболочка

.....

Рис. 8. Трубчатый композитный твисгированный провод в однородном магнитном поле (а), рассматриваемый как модель кабеля или субкабеля обмоточного проводника с циркуляционным охлаждением (в)

1 :

......!.......:.......5 •-■'■т^п^р' | 9 I

V •V'¡.

л'1 1

1 |.

<!£ 1 в в* —

» " Температур» ■«

Рис. 9. Зависимость мощности потерь энергии в трубчатом СМП с транспортным током /, от темперагуры. г =2,5 мм, /=50 мм, о1=ЗЮ6 (Омм)'1, с!= 25мкм, /, = 800 А, /с(То) = 1600 А; Т0,ТС -номинальная рабочая и критическая температуры, Та - температура начала деления тока. <2а -омические потери в нормальном состоянии; Рк, Рф -гистерезисные и квазигистерезиснме потери в СПВ; рт - потери в материале, р — суммарные потери

Рис, 10. Зависимость потерь энергии в 2-х повивном кабеле от направления, отношения радиусов р и шагов скрутки Xповивов

Раздел 2.2 посвящен расчетным и экспериментальным исследованиям по стабилизации обмоточных сверхпроводников для СПИН и токамаков. (а) Эмпирический метод расчета запаса стабильности

Анализ стабильности сверхпроводящих многожильных «кабелей-в-оболочке» (МКО) для ИТЭР и СПИН состоит в определении запаса стабильности ДН — наибольшей плотности энергии импульсного теплового возмущения на единицу объема жил, которое ещё не приводит к необратимому переходу провода в нормальное состояние. Для обеспечения стабильности конструктивные параметры МКО (диаметр жил Ы, заполнение жил медью /си), отношение / =///с рабочего тока I к критическому /с или «запас по температуре» ДТ=ТК-Т0 выбирают по условию АН > £><ь где — ожидаемый уровень возмущений в проводе. Применение компьютерного моделирования термогидравлических процессов, вызванных возмущением, с помощью кодов высокого уровня [12] на стадии предварительного выбора конструкции и параметров МКО требует больших затрат времени и трудоемкости. В связи с этим автором был предложен [11] эмпирический метод построения зависимости АН от ¡. Для определения положения характерной точки (г';1т, Д//|1т) метод использует известный скейлинг Л. Дрезнера (/|,т = а'112, где а - параметр Стекли). Д#цга соответствует скейлингу, полученному на основе соотношения для импульсной теплоотдачи в однофазный гелий, предложенного К. Шмидтом. Коэффициенты И и кТ, входящие в эти скейлинги, определены пересчетом в обратном порядке из опубликованных данных по величинам /цп,, А//¡1т, полученных в большом числе экспериментов с прототипными образцами МКО. Нижние огибающие полученных таким образом зависимостей И, кт, от длительности возмущающего импульса тЛ, приведенные на Рис. 11,а,б, дают возможность построения зависимостей АН от / (Рис. 11,с), которые удовлетворительно совпадают с результатами компьютерного моделирования и позволяют в сжатые сроки проводить оптимизационный

а = рт11/рПАт(Т*-т0) ; ля» 2.61 кг- т0д( /а + ]сат

а)

т„.ме

"ТО"

б)

В)

Рис. П. Зависимости коэффициентов А и кт от длительности возмущающего импульса Та (а,б), применяемые для построения зависимости АН от ; предложенным эмпирическим методом (в)

Рис. 12. Номограмма, результирующая многопараметрический анализ запаса стабильности МКО центрального соленоида ИТЭР (вариант 1990 г.). Выбранные варианты из области Уси~ 0.6, / = 0,5-0.55 обеспечивают наибольший ДИ при различных постоянстве средней плотности тока по проводнику и выполнении условия Тт < 150К при нештатных ситуациях

параметрический анализ МКО для токамаков и СПИН. Метод практически использован при выборе конструкционных параметров проводников ИТЭР на ранних стадиях проекта (рис. 12).

(б) Электромагнитный метод исследования механического поведения кабеля внутри оболочки

Автором предложен [12] и реализован при испытаниях проводника для СПИН энергоемкостью 100 МДж по заказу фирмы В\УХТ метод исследования механического поведения кабеля внутри оболочки путем измерения с помощью пар потенциальных выводов УС1-УС5 (рис. 13) распределения напряженности электрического поля, индуцируемого при приложении к образцу треугольных импульсов поперечного магнитного поля 0-Вт-0. В отсутствие тока в образце положение Хс его электрического центра (ЭЦ) не изменяется (рис. 14,а). При постоянном токе I на кабель действуют пондеромоторные силы, обуславливающие деформацию кабеля внутри оболочки, изменение Хе (Рис. 14,6) и выделение потерь механической энергии за цикл по типу гистерезисных ()т = (10 /411)^Хт\с!В (рис. 15,а). Здесь V — объем жил. Особенностью исследованного образца являлся

переход части жил в резистивное состояние («насыщение» транспортным и индуцированными токами), вызвавший дополнительное смещение ЭЦ на величину и выделение дополнительных потерь электромагнитной энергии дт = (/„ / v) \ix~db + x', ёв) (рис. 15,6). Малая величина £?т позволяет полагать, что запас стабильности, необходимый для стабилизации данного МКО относительно движения жил внутри оболочки, составляет не более 10 мДж/см3. Предложенная методика помимо применения при стендовых испытаниях образцов [12,13] и обоснования норм проектирования МКО может быть использована в действующих установках для контроля за

Рис. 13. Размещение пар потенциальных выводов УС1-УС5 для измерения напряженности индуцированного электрического поля на образце МКО

- О.ЗЗТп/с

= -0,{ЭТ>Ж

-0,5

"2 -0,6 5

X -0,7

I Ав

Н -0 9 я

й -1,0

"=г -1 1

а 1 •1 о

=2 -1,2 -1,3

6)

А'

*т

ч

ч

'о" 3,97<А (1 ЧТП(1-

-3-2-1 0 I 2 3 Координата по оси X (мм)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Приложенное поле (Тл) Рис. 14. Координата положения ЭЦ хс МКО в отсутствие тока в рбразце (а) и при токе/0 =3,97 кА (б)

е

I 5

а. «

^ 5 4-

IГ

13 з.

1(1=3,117кА

8.°

I

с

1 -т-яУ—

0.1?Тп/(

'-V го 5

X зг

б) V Вьг Тл

/ 1

1 \

; 1.» 3.97кА

:

■ : ?ПТо

-¿-г—

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Скорость изменения поля (Тя/с)

0 1 2 3 4 Амплитуда импульса поля (Тл)

Рис. 15. Потери механической ()т и электромагнитной энергии 0т на единицу объема жил за цикл в зависимости от амплитуды вт и скорости изменения в' магнитного поля при постоянном токе в образце /о = 3,97 кА

деформацией кабеля внутри оболочки, появлением его «насыщения» и изменением зазора между кабелем и оболочкой.

в) исследования по предотвращению деградации ЭМС с нестационарными магнитными полями, обусловленной неравномерностью распределения тока по N элементам (жилам, субкабелям) сверхпроводящего обмоточного кабеля Автором предложено рассматривать неравномерность распределения токов I по элементам кабеля на основе суперпозиции / = /0±' равномерно распределенного рабочего тока кабеля ¡а ~1а! N и дополнительных токов / (рис. 16). Токи 1 индуцируются нестационарным магнитным полем и/или вызываются нарушениями симметрии активно-индуктивного импендансов и индуцируемых э.д.с. в кабеле и его контактных соединениях. С токами г связана энергия пропорциональная /2 и возрастающая с увеличением масштаба кабеля. Достижение током I в элементе кабеля критической величины /0 вызывает переход этого элемента в резистивное состояние, перераспределение и затухание токов что сопровождается выделением связанной с ними энергии. Чтобы вернуться в сверхпроводящее состояние кабель с неравномерным распределением токов должен обладать повышенным запасом стабильности Дгде и>' — плотность дополнительных тепловыделений, связанных с токами ¡. Для устранения деградации токи / должны бьггь подавлены или их энергия снижена до безопасной величины.

Источник тока io=/o(í)

/o=S/0(0

т

Контактный терминал

Ш

Контактный терминал

Рис. 16. Представление токов в субкабелях или жилах кабеля как суммы рабочих токов ¡о и дополнительных токов /

В кабеле из электрически изолированных друг от друга жил или субкабелей токи i могут быть подавлены способами, которые поясняет рис. 17. В соленоидах «Ml», «М2» (см. раздел 3.1) автором реализован вариант (а) с увеличенными контактными сопротивлениями г между жилами в контактных соединениях R. Схожий вариант был применен разработчиками модельной катушки POLO, выполненной из МКО с высоким сопротивлением между субкабелями. Вариант (б) («многозаходные» обмотки) нацелен на снижение w' за счет уменьшения масштаба единичного кабеля.

Для оценки токов i и запаса стабильности МКО с неизолированными жилами автором совместно с д.ф.-м.н. С.Е. Сычевским, к.т.н. H.A. Шатилем, В.Н. Васильевым и М.С. Астровым разработан код STABLOS [10], который реализует расчет кооперативных токов и различных типов «сверхкооперативных» токов [8,9,14,15], а также моделирует электромагнитные и термогидравлические процессы после приложения Еозмушающего импульса Q¿. В «ускоренном» варианте применяется эмпирический метод (см. подраздел 2.2,а) с поправкой Д//*= A//-w'. STABLOS позволяет анализировать степень неравномерности распределения

токов, запас стабильности и влияние на них конструктивных факторов (межэлементного сопротивления р, соотношения медьхверхпроводник и пр.) для заданной геометрии МКО (рис. 16,17). Но предсказание структуры многостадийной скрутки после её компактирования при изготовлении и деформации пондеромоторными силами имеет гипотетический характер. В связи с этим создана стендовая установка (рис. 20) для экспериментальной проверки пригодности пилотных образцов МКО и их контактных соединений для применения при величинах рабочего тока, магнитного поля, скоростей их изменения, а также термогидравлических параметрах, соответствующих рабочим в проектируемых обмотках [16,17]. На ней, в частности, проведены испытания образцов МКО для СПИН на 100 МДж по заказу фирмы В\УХТ

2 - криостат

Рис. 17. Способы подавления неравномерности распределения тока между электрически изолированными друг от друга субкабелями или жилами

[12].

1 — электрически изолированные друг от друга субкабели или жилы

3 - источник питания

4 - токовводы

Относительны» ток,

Рис. 18. Влияние неоднородности распределения токов ¡/¡о по элементам 4-ой стадии скрутки МКО на запас стабильности АН (расчет с помощью ЗТАВЬОЭ)

0.1 0.19 0.2 0.23 0.3 0.35 04 0.« 05 Относительный то«. р^Л,

Рис. 19. Влияние соотношения медь:сверх-проводник на запас стабильности АН для 1-ой (сплошные линии) и 4-ой стадии (штриховые линии) скрутки МКО

Рис. 20. Стендовая установка НИИЭФА для комплексных исследований образцов МКО

Глава 3 посвящена разработке компаундированных соленоидов с нестационарными магнитными полями, компонентов тепловой и электрической изоляции и высоковольтных криогенных токовводов для ЭМС СПИН и токамаков.

Разработанная в НИИЭФА к началу работы по теме технология компаундированных СПИН обеспечила устранение деградации обмоток. Но монолитные обмотки не допускали быстрого заряда. СПИН могли генерировать рабочие импульсы не чаще, чем раз в 10-15 минут.

Раздел 3.1 содержит описание конструкции, технологии изготовления и результатов испытаний соленоидов «М1» и «М2» энергоемкостью 20 и 200 кДж (рис. 21), которые являются опытными образцами секций СПИН для

применения в электроэнергетических сетях и в мощных системах питания электрофизических установок с частотой повторения импульсов 0,05-0,2 Гц [18]. В их монолитных компаундированных обмотках по разработанной автором технологии созданы развитые охлаждающие каналы, а также для снижения кооперативных потерь энергии применен кабель на 4 кА @ 4 Тл из электрически изолированных друг от друга М>Т1 композитных сверхпроводящих жил. Благодаря этим мерам соленоиды сохраняют сверхпроводимость при скоростях изменения магнитного поля до 1-2Тл/с. Уравнительные токи в кабеле - вскрытая автором причина деградации обмоток из кабелей с изолированными жилами, - подавляются за счет высокого сопротивления между жилами в контактных соединениях. Ресурсные испытания показали отсутствие изменений характеристик после 80 тыс. циклов заряд-разряд соленоида «М1» и 3,6 тыс. циклов для соленоида «М2».

кА

расчетная зависимость

С кЛ

/, кА/с В, Тл/с

"М-2"

1 2 3 4 5

Зависимость величины тока /пз перехода соленоида «М1» в нормальное состояние от скорости изменения тока и индукции при заряде соленоида

О 10 20 30 40 50 Т, МС

Зависимость величины предельного по условию сохранения сверхпроводимости начального тока разряда 1щ, от величины постоянной времени разряда г

Рис. 21. Результаты испытаний соленоидов «М1», «М2»

Раздел 3.2. Освоение технологии соленоидов «М1», «М2» и предшествующих импульсных СПИН сделало возможным создание более крупных многоцелевых сверхпроводящих соленоидов с нестационарными

магнитными полями для применения в качестве наружных секций гибридных соленоидов, устойчивых к аварийному выключению внутренних водоохлаждаемых секций, а также в «микро»-СПИН энергоемкостью 10-15 МДж. Головным образцом явилась зарядная катушка (рис.22) экспериментальной плазмофизической установки LDX [19], предназначенная для индукционного заряда/разряда сверхпроводящей левитирующей катушки, которая для этого перемещается в «теплую» апертуру зарядной катушки диаметром 1 м. Идея, апробированная в соленоидах «Ml», «М2» и заложенная в конструкцию зарядной катушки LDX, состоит в совмещении конструктивной целостности слоевой компаундированной обмотки с возможностью исключения вышедшей из строя секции (слоя) путем пересоединения мсжсекционных контактов, вынесенных на наружную поверхность обмотки (рис. 22). При необходимости между слоями обмотки могут быть размещены охлаждающие каналы, как в соленоидах «Ml», «М2». Для нестационарного режима работы в установке LDX достаточным является охлаждение обмотки с поверхности. Тренировка зарядной катушки полностью устранена за счет соответствия ее конструкции нормам проектирования (7о=0,4/с; г <0,15%, где /0 - рабочий ток; /с— критический ток; s — относительная деформация проводника), выработанным на основе исследований компаундированных СПИН. Пропаянный и отформованный обмоточный кабель, содержащий три СМП марки СКНТ-0,85-0,42-2970, разработан и поставлен ВНИИКП. Проект зарядной катушки, изготовленной вместе с криостатом на заводе ЭФО НИИЭФА, выполнен по международным нормам и стандартам силами специалистов из конструкторского и расчетно-теоретических отделов НИИЭФА под научным руководством автора на основе комплекса механических и теплофизических расчетов с использованием компьютерных кодов, верифицированных на модельных катушках ИТЭР. С января 2004 г. зарядная катушка эксплуатируется в составе установки LDX в MIT (США).

\l

SlîsS

МЛ

■i

M]

T.Ï

ж

LES?

Токоввод'

1 - СП и Си стренды

3 - витковая изоляция

Рис. 22. Зарядная катушка установки LDX, поставленная в MIT, США в 2003 г. Номинальный ток 500 А; магнитная индукция 4,9 Тл; энергоемкость 12,2МДж; допускаемое электрическое напряжение 3 кВ; максимальная мощность разряда 1,5 МВт

Раздел 3.3 посвящен разработкам токовводов (ТВ) для СПИН и токамаков, которые были начаты автором со сравнительных экспериментальных исследований по выбору конструкции теплообменников и токоведущих частей ТВ на номинальный ток /0= 10 кА [20]. Выбранный в

результате конструктивный тип - набор тонкостенных труб диаметром 4 мм из безкислородной меди, - обеспечивает как близкий к минимальному теплоприток по ТВ (1,35Вт/кА), так и достаточный запас по термической устойчивости относительно возможных сбоев в режиме охлаждения. Простые в изготовлении ТВ этого типа были использованы в ЭМС установки Т-15 (70 = 8кА), во всех СПИН и сверхпроводящих ЭМС разработки НИИЭФА на ток /0 от 2 до 10 кА. В этих ТВ на напряжение до 10 кВ применялись монолитные проходные изоляторы из стеклопластика или текстолита. Для ЭМС с погружным или циркуляционным охлаждением на рабочее напряжение до 35 кВ на прототипном образце (/0 = 40 кА) и серии экспериментальных ТВ (/<> = 4 кА) отработана конструкция и технология изготовления ТВ [22], в которых основной корпусной электроизоляцией является газообразный и жидкий азот, заполняющий полость, образуемую металлическими оболочками с тонкостенными цилиндрическими изоляционными вставками из стеклотекстолита (рис. 23). Конструктив подвеса ТВ, разработанный в конструкторском отделе НИИЭФА, допускает вертикальные и горизонтальные перемещения нижнего конца ТВ, компенсирующие термическое сжатие низкотемпературных токовводящих шин и/или обмотки ЭМС. Унифицированный конструктив ТВ имеет сменные токоведущие части на /0 от 4 до 80 кА. Пробивное напряжение составляет 75 кВ (рис. 24). Для использования на открытых площадках ТВ оборудован защитным колпаком, заполненным газообразным азотом. Конструктив ТВ позволяет простую модификацию для замены медных токоведущих частей на высокотемпературные сверхпроводящие. Головной опытно-промышленный образец ТВ на 4 кА @ 24 кВ поставлен в США в фирму В\УХТ для СПИН на 100 МДж (рис. 25) [22].

Рис. 23. Прототипный (справа) и головной (слева) образцы ТВ на рабочее напряжение до 35 кВ

i—10 < И

* г-6

? E«

-1-'-1-'-1—■——'—г 0

0 2 * в 8 10 Time, min

Рис. 24. График приложенного напряжения V и тока утечки /leakage при высоковольтных испытаниях ТВ

Рис. 25. Внешний вид блока ТВ на 4 кА @ 24 кВ в состоянии поставки

Рис. 26. Система стекло-пластиковых опор обмотки зарядной катушки IX)X

Рис. 27. Стеклотекстолитовые электроизоляционные узлы и компоненты, индивидуально разрабатываемые и выпускаемые в НИИЭФА

В разделе 3.4 изложены применяемые нормы проектирования элементов эшелонированной системы электрической и тепловой изоляции ЭМС СПИН и токамаков и приведены разработанные конструктивные решения стеклопластиковых опор (рис. 26), проходных изоляторов и электоизоляционных развязок криогенных трубопроводов (рис. 27), выпускаемых по индивидуальным проектам малыми сериями в НИИЭФА с контролем качества на созданном криогенном стенде для высоковольтных и гидравлических испытаний, включая ресурсные [23].

Глава 4 посвящена реализации проекта модельной катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР, который объединяет различные направления НИОКР 1993-2003 гг., проведенных в России в обоснование Технического проекта ЭМС ИТЭР [24]-[38]. Изготовленная из отечественных материалов, кандидатных для применения в ИТЭР, КВПТО представляла собой однослойный соленоид из Nb3Sn проводника ОТО ИТЭР на рабочий ток 46 кА в магнитном поле индукцией 13 Тл. КВПТО была испытана в составе Модельной катушки центрального соленоида (МКЦС) на международном стенде ИТЭР (рис. 28) в Японском институте атомных исследований (JAER1). КВПТО создана кооперацией отечественных предприятий во главе с ФГУП «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова», который выполнил разработку конструкции, термообработку, изолировку, переукладку в силовой каркас и окончательную сборку КВПТО. Разработку и изготовление Nb3Sn композитных базовых проводов (стренд), разработку регламента термообработки КВПТО, технологию изготовления её контактных терминалов обеспечил ФГУП «ВНИИНМ им. A.A. Бочвара», Москва. Разработку технологии изготовления и намотку в спираль обмоточного провода КВПТО типа «кабель-в-оболочке» выполнил ОАО «ВНИИКП», Москва. Стальной каркас КВПТО изготовлен в ОАО «Ижорские заводы», Санкт-Петербург. Автор являлся координатором НИОКР по ЭМС ИТЭР в России и научным руководителем проекта КВПТО.

Рис. 28. Монтаж КВНТО на испытательном стенде ИТЭР в Японии

^ Рабочий то* ОТП

Рис. 30. Расчетные зависимости рабочего тока I и относительной деформации е проводника в ОТП ИТЭР и в КВПТО

Рис. 29. КВПТО ИТЭР

Выбранная конструкция КВПТО (рис. 29) обеспечила: (а) испытательные условия для проводника по току, магнитному полю, напряженно-деформированному состоянию (рис.30) и температуре, соответствующие рабочим в наиболее напряженной области ОТП ИТЭР; (б) моделирование температурных и механических воздействий на проводник в процессе изготовления катушек ОТП ИТЭР. Технологический процесс изготовления КВПТО схематично приведен на Рис.31. В ходе НИОКР создано и апробировано на макетных образцах и при изготовлении КВПТО следующее уникальное опытно-промышленное оборудование: (а) производственная линия для заключения кабелей в оболочки длиной до 1000 м (ВНИИКП); (б) электровакуумная печь для термообработки обмоток из КЬзБп проводников диаметром до 1,6 м и высотой до 4 м, обеспечивающая регламент термообработки с отклонением температуры по объекту и во времени от заданной не более чем на 1-2 С° (НИИЭФА); (в) комплект оборудования для изготовления контактных терминалов обмоток из НЬзБп проводников методом гидроопрессовки (ВНИИНМ); (г) комплект оборудования для изолировки и переукладки термообработанных слоев обмотки крупных соленоидов из М^п проводников по методу «намотка-отжиг-изолировка-переукладка» при относительной деформации термообработанного проводника не более 0,2% (НИИЭФА). В отличие от МКЦС и других модельных катушек ИТЭР, оснащенных измерительными датчиками лишь в области контактных терминалов, КВПТО содержала набор датчиков температуры и потенциальных выводов, расположенных по длине проводника на его поверхности, что позволило измерить характеристики проводника на отдельных участках по всей его длине. Основной целью испытаний КВПТО являлась экспериментальная проверка критериев проектирования просодкика ОТП ИТЭР, в частности, проектного запаса по температуре АТ= Г„-Г0, где 7*« — температура начала деления тока, Г0 -рабочая температура. Испытания КВПТО в составе МКЦС включали

Намотка спирали КВПТО (ВНИИКП)

Щйа

Переукладка спирали на спирали КВПТО (ВНИИКП) калибровочную оправку и гибка

выводных концов (ВНИИКП, НИИ ЭФА)

Дополнительная гибка выводных концов для обеспечения присоединительных размеров КВПТО (НИИЭФА)

Установка и обжатие медных

наконечников КВПТО. Заключительная сварка Ti-Ti. (ВНИИНМ, ВНИИКП)

ti-3

^ \\\ j

?

Термообработка спирали КВПТО, предварительная проверка герметичности оболочки провода КВПТО. (НИИЭФА, ВНИИНМ)

Наложение изоляции на провод КВПТО с установкой датчиков между слоями. (НИИЭФА)

Переукладка спирали КВПТО Переукладка спирали КВПТО в

на цилиндр с целью силовой каркас

уменьшения диаметра. (НИИЭФА) (ПИИЭФА)

h.

Ч»й-J-J H

Вакуумная пропитка и запечка изоляции КВПТО (НИИЭФА)

—âê^

1-У

Заключительная сборка КВПТО. Приемо-сдаточные высоковольтные испытания и проверка на герметичность (НИИЭФА)

Рис. 31. Технологический процесс изготовления КВПТО

(а) измерения гидравлических характеристик проводника, показавшие их постепенное изменение в ходе испытательной кампании ; (б) градированный выход на проектные параметры (46 кА; 13 Тл), достигнутые с первой попытки без какой-либо деградации и тренировки; (в) 14 измерений Tcs при

медленном (2 К/час) увеличении температуры гелия в канале проводника, несущего постоянный ток 0,6; 17,5; 46 кА в постоянном магнитном поле 0; 5; 11,4; 12 Тл и одно изменение критического тока /с путем медленного (10 А/с) увеличения тока при постоянной температуре и магнитном паче, проведенное для подтверждения эквивалентности измерений /с и Та для харакгеризации токонесущих свойств проводника; (г) две серии по 1000 циклов нагружения КВПТО пондеромоторными силами путем ввода/вывода тока в КВПТО при постоянном приложенном магшггном поле 12 Тл, показавшие отсутствие изменений характеристик проводника под

I

циклической нагрузкой, за исключением гидравлических характеристик. Испытания КВПТО подтвердили уменьшение Гм для сильноточных 1^Ъ38п кабелей относительно измеренной для одиночных стренд (включая образцы-свидетели, термообработанные вместе с КВПТО), наблюдавшееся во всех модельных катушках. Этот эффект, который связывают с дополнительной деформацией изгиба стренд в кабеле под нагрузкой по типу изгиба балки на точечных опорах, потребовал внесения корректив в критерии проектирования и конструкцию кабеля М^Эп проводников ИТЭР по результатам испытаний модельных катушек. Однако в КВПТО уменьшение Ги составило на 0,2 К большую и неизменную с числом циклов нагружения величину (в отличие от других модельных катушек). Для выяснения причин уменьшения ГС5 по возращении КВПТО из Японии в НИИЭФА был проведен постиспытательный контроль состояния элементов конструкции КВПТО и её проводника. На первом этапе методами неразрушающего контроля, включая радиационную интроскопию, радиографический контроль, цветную дефектоскопию и ультразвуковой контроль, была подтверждена целостность и соответствие техническим спецификациям всех основных конструктивных элементов КВПТО (провода и изоляции обмотки, силового каркаса, терминальных узлов). Затем была произведена последовательная разборка КВПТО, включая эпоксидирование кабельной скрутки и резку обмотки на

секции, извлечение и детальные исследования состояния кабеля. В результате были обнаружены множественные (до 1500 на метр длины кабеля) визуально наблюдаемые «вмятия» кромок центральной каналообразующей спирали кабеля в стренды (рис. 32), которыми можно объяснить дополнительное снижение ГС5. На основании этих результатов спецификация проводников ИТЭР дополнена требованиями к кромкам спиралей.

Рис. 32. Обнаруженные дефекты («вмятия»), образованные кромками спирали в проводнике ИТЭР

Глава 5 посвящена исследованиям по оптимизации СПИН [39]-[51], задачами которых являлись:

— оценка достижимых технико-экономических характеристик СПИН, необходимая для обоснованного анализа экономического эффекта от внедрения СПИН и сравнения СПИН с другими типами накопительно-преобразовательных устройств аналогичного значения; разработка методов и проведение технико-экономической оптимизации СПИЛ с целью наиболее рационального выбора геометрической формы (конфигурации) МС и проектной величины максимальной магнитной индукции Вт, обеспечивающих наилучшие технико-экономические характеристики СПИН, как то: капитальные затраты на сооружение С£, стоимость единицы получаемой от СПИН энергии с'„, или мощности С>, а

— для СПИН, устанавливаемых на транспортных средствах — общая масса

СПИН Gs.

Необходимость оптимизации СПИН обусловлена тем обстоятельством, что в отличие от электромагнитов, создающих заданные магнитные поля, функциональным назначением СПИН является накопление и преобразование энергии. СПИН должен отвечать требованиям к величине и изменению во времени мощности Р, тока / и напряжения V при заряде, разряде и в режиме ожидания, которые определяют проектную величину энергоемкости СПИН W, диапазон и динамику изменения его рабочего тока. Конфигурация, геометрические размеры СПИН и величина магнитной индукции Вт в его обмотке в пределах технических возможностей могут быть произвольными, но должны обеспечивать: (а) заданную проектную энергоемкость СПИН W= const; (б) соответствие допускаемой плотности тока в обмотке СПИН jv проектной величине Вт и заданному закону её изменения во времени

В первых публикациях по вопросам оптимизации СПИН основное внимание уделялось частной задаче о минимизации расхода дорогостоящего сверхпроводника. Последующие исследования легли в основу зарубежных проектов СПИН для аккумулирующих электростанций. В России исследования по расчету и оптимизации МС СПИН проводились в НИИЭФА, ИВТ РАН, РНЦ «КИ», ТРИНИТИ и ряде других организаций в ориентации на разработку СПИН для импульсных систем питания электрофизических установок и для применения в электроэнергетических сетях.

Отличительной чертой предложенного автором подхода, который применяется в проектных разработках НИИЭФА в течение уже более 30 лет, является рассмотрение СПИН как комплексного устройства, состоящего из СПМС в криостате, системы криогенного обеспечения (СКО) и системы ввода-вывода энергии (СВЭ), а задачи по выбору конфигурации обмотки -.

как этапа комплекса работ по проектированию СПИН в целом. С математической точки зрения оптимизация СПИН рассматривается как задача нелинейного программирования о нахождении значений независимых переменных (относительных размеров а-(ап аг, ..., а^), характеризующих конфигурацию обмотки, и величины Вт), доставляющих экстремум целевой функции оптимизации Р = (Сг, с„., ср, С^) при выполнении упомянутых выше условий (ограничений).

«Ядром» используемой математической модели являются соотношения для основных конструктивных характеристик (ОКХ) СПМС и криостата СПИН (табл. 1), которые с помощью стереотипных приемов можно получить для СПМС любой конфигурации [39-49].

Таблица 1

Общий вид выражений для основных конструктивных характеристик СПИН

заданной энергоемкости

Наименование конструкционной характеристики магнитной системы Расчетное соотношение Выражение для критерия подобия

Линейный геометрический размер обмотки у

Общий объем собственно сверхпроводника в обмотке'" í w1 1 U.B.J JL Jen ii <

Общий объем нормальной матрицы (полложки) в обмотке"' h" U.S., "'JL j ни

Общий объем сверхпроводящих базовых композитных проводов (сгренд) в обмотках'" v - • (и" г v Vc"c ícnc —— -- ) Jcnc

Общая длина обмоточного провода на номинальный проектный тек I /■ 1 \ X.JJZL} [m.BJ i

Площадь поверхности крностатируемой обмотка к «i J С,-линейная функция от критериев Со¡

Материалоемкость (вес) оболочки или теплового экрана криостата (А-индекс экрана или оболочки) Км - линейная фуикция от критериев ст

Материалоемкость (вес) силовых элементов конструкции обмотки, несущих пондеромоториые силы Ми^й]'-) у^ъе' va=v*ex

Примечание (1)- проскткые характеристики обмоточного провода Ли,/™,/« полагаются функциями от fiñ

(2) - k-индекс оболочки или теплового экрана кркостет*. у, - удельный вес материала иСхялочкм или экрана, ív^iVDo -относительная толщина оболочки или экрана;

Целевые функции Р (т.е., Сг, rf) и пр. определяются по величинам ОКХ с помощью удельных характеристик cj (удельных теплопритоков, удельных потерь энергии, удельного веса, удельной стоимости, включая затраты на изготовление и т.п.). Математическая модель СПИН имеет вид

P = P[-ZcjwJ{W)bJ<Bm)Tj(a)], (1)

T,(a)-[:r,{W; Bm,cr,c,)]^ ;=l,2,...,m (2)

где т - число дополнительных ограничений оптимизационной задачи (на габаритные размеры; из-за связи конфигурации обмотки с достижимой плотностью тока); wp bj — функции от IV и Bm;j — индекс «вклада» в целевую функцию от j-того элемента конструкции или подсистемы СПИН. ,7 j -

критерии подобия, являющиеся функциями а. Число независимых переменных В„, а = (аи а2, ..., с^), в практических оптимизационных задачах невелико. Решение сводится к анализу (п+1)-мерной поверхности отклика. Критерии ЧГ} получены для основных кандидатных конфигураций

ЭМС СПИН: цилиндрических, сферических, элипсоидальных соленоидов [39-46], а также систем без внешних магнитных полей [47], включая впервые предложенные автором цилиндрические катушки с полной активной экранировкой (рис. 33) [48], тороидальные катушки [39], а также специальные «вытянутые» D-образные тороиды с дополнительными вложенными секциями (рис.34) [49]. В отсутствие дополнительных ограничений (т = 0) при IV < 1010 Дж оптимальными оказываются ЭМС с внешними полями и малыми Я = 1/г <2, а при W > 10,2-1013 Дж - с Я <0,1, что связано с различной зависимостью от W вкладов в от сверхпроводника, криостата и силовых элементов конструкции; / — аксиальная длина; г - средний радиус обмотки. При неизменной конфигурации и постоянных Cj удельная стоимость СПИН уменьшается с увеличением энергоемкости (C^/iV) &a/IVu3+ c+b/iV, где a,b,c = const.

1 - основная обмотка; 3 - опорный цилиндр; 4 -внешнее бандажное кольцо; 5 - опоры дополнительных секций

Рис. 33. Система цилиндрических Рис. 34. ТМС с витками «вытянутой» катушек с полной экранировкой О-образной формы и дополнительными внешнего поля секциями (2)

Рис. 35. Модуль СПИН энергоемкостью 66,7 МДж (проект)

1 - "моноблочныем СПИН с обмотками в виде цилиндрических соленоидов с малым аспектным отношением по типу ОПП токамака ИТЭР

2 - модульные "линейки" СПИН, составляемые из цилиндрических соленоидов с диаметром по обмотке 3,15м

3 - модульные СПИН, составляемые из четверок встречно включенных цилиндрических соленоидов с диаметром по обмотке каждого из соленоидов \£2м и наружным диаметром системы соленоидов 3,15м

Рис. 36. Расчетная зависимость базовых капитальных затрат на создание СПИН с от энергоемкости №

внешний радиус обмотки R по возможностям заводского технологического оборудования и/или условиям транспортировки СПИН изменяет зависимости

W ~

ОКХ от W и В„. (CzlW) с увеличением W не уменьшается, 1}Сп w-F;

ЛАД

uW ~ tiW ~

/«-4—-G,; S„„ и —G,. Однако, удельные показатели стоимости B*R2 B*R

изготовления обмоток Cj зависят от радиуса обмоток. С учетом этого

обстоятельства при фиксированной общей энергоемкости W< 1500 МДж

СПИН, составленный из модулей заводского изготовления (рис. 35) с

ограниченным диаметром, оказывается дешевле, чем моноблочный СПИН

большого диаметра (рис. 36). На основании оптимизационных расчетов

выдвинуто предложение о создании головного унифицированного модуля на

30-60 МДж и составлении СПИН энергоемкостью до 1500 МДж для

энергосетей из таких типовых модулей.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной

работы.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Егоров С. А. Численный расчет вихревых токов и потерь энергии в сверхпроводящих многожильных проводах при сверхкритических скоростях изменения магнитного поля. // В кн. Сверхпроводимость в технике. Труды Второй всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости, т. II, JI.: ЛНИВЦ, 19846 с. 118-120.

2. Egorov S., Astrov М., Fedotova S. Energy losses in a thin-wall tube multifilament composite superconductor carrying a transport current in a time-varying transverse magnetic field. // Physica С 310,1998, pp. 302-308.

3. Егоров C.A., Батаков Ю.П., Костенко А.И. Оценка эффективности применения твистированных резистивных барьеров для снижения вихревых потерь энергии в сверхпроводящих и криорезистивных обмоточных проводах. //В кн. Сверхпроводимость в технике. Труды

Второй Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости., т.И, Л.: ЛНИВЦ, 1984, с. 121-124.

4. Егоров С.А. Вихревые токи и потери энергии в тонкостенных трубчатых нормальных и сверхпроводящих проводах. // В кн. Сверхпроводимость в технике. Труды Второй Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости.. т.И, Л.: ЛНИВЦ, 1984, с. 300- 306.

5. Егоров С.А. О влиянии соотношений шагов и направлений скрутки на величину вихревых потерь энергии в сверхпроводящем многоволоконном пропаянном кабеле для импульсных магнитов. // Препринт П-Б-0485, Л.: НИИЭФА, 1981,9 с.

6. Егоров С.А, К расчету вихревых потерь энергии в сверхпроводящих пропаянных кабелях дня импульсных магнитов. // Препринт П-Б-0484, Л.: НИИЭФА, 1982,25 с.

7. Егоров С.А., Костенко А.И., Сивкова Р.Ю. Вихревые потери энергии в сверхпроводящем кабеле прямоугольного сечения. // В кн. Сверхпроводимость в технике. Труды Второй Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости. т.Н, Л.: ЛНИВЦ, 1984, с. 115-118.

8. Egorov S.A., Koretsky A.Yu., Zapretilina E.R. Interstrand coupling AC-losses in multistage cable-in-conduit superconductors. // Cryogenics 1992, Vol. 32, ICEC Supplement, pp. 439-442.

9. Egorov S.A. Coupling losses in superconducting multistage cables with and without additional co-twisted copper strands. // Physica С 310, 1998, pp. 272276.

10.jEgorov S.A., Sytchevsky S.E., Astrov M.S., Shatil N.A., Vasiliev V.N. Up-grade of the CICC Stability Analysis taking into account a Current Imbalance between Strands in Multistage Cables. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 10, No. 1, March 2000, pp. 1098-1101.

11 .Егоров СЛ., Афанасьев С.Н., Лукьянова Р.Ю., Трохачев Г.В. Расчет и оптимизация сверхпроводников с циркуляционным охлаждением для обмоток тороидального поля реактора токамак. // Доклады III Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, т. II, М.: ЦНИИ Атоминформ, 1984, с. 346-352.

12. Egorov S., Rodin I., Lancetov A., Bursikov A., Astrov M., Fedotova S., Weber Ch., Kaugerts J. AC loss and interstrand resistance measurement for NbTi cable-in-conduit conductor. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 12,No.l,2002,pp. 1607-1611.

13.Rodin I., Egorov S., Lancetov A., Astrov M., Fedotova S. Energy Loss Measurements in the CICC Short Samples and Model Coil. II IEEE Transactions on Applied superconductivity, June 2003, Vol. 13, No.2, pp. 2396-2399.

14. Egorov S.A., Astrov M.S., Kalinichenko M.A. Effect of the subcabie twist pitch ratio on the circulation currents induced by the time varying self field of multistage superconducting cables. // Plasma Devices and Operation, 1998, Vol.6, pp. 167-172.

15.Egorov S.A., Astrov M.S., Kalinichenko M.A., Fedotova S.B. Coupling currents and AC losses in superconducting cables under the non-uniform profiles of the applied magnetic field alteration rate. // Plasma Devices and Operation, 1998, Vol. 6, pp. 159-166.

16. Glukhikh V., Filatov O., BelykavV., Egorov S„ KorsunskyV., Rodin I. Cryogenic Test Facility of the D.V. Efremov Institute. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, March 2000, Vol.10, Nol, pp. 1564-1567.

Xl.Belyakov V., Egorov S., Filatov O., et al. Activities on ITER Superconductors in Russia. // Proc. of Pacific Rim International Workshop on Applied Superconductivity (PRIWAS'97), KERI, Korea, July 1997, pp. 27-40; Cryogenics, 37(12), 1997, p. 879.

18.Егоров С.А., Костенко А.И., Моносзон Н.А., Тищенко В.А., Трохачев Г.В. Исследования по созданию сверхпроводящих импульсных соленоидов. // Доклады П Всесоюзной конференции по ИГГГР, Л.: НИИЭФА, 1982, т. П, с. 199-205.

19.Zhukovsky A., Schultz J., Smith В., Radovinsky A., Gamier D., Filatov О., Belyakov V., Egorov S., Kuchirtsky V., Malkov A., Bondarchouk E., Korsunsky V., Sytnikov V. Charging Magnet for the Floating Coil of LDX. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 11(1), 2001, pp. 1873-1876.

Ю.Егоров C.A., Костенко А.И., Сидорович Г.В., Трохачев Г.В., Чураков Г.Ф., Корецкий А.Ю., Шмалько Г.И. Токовводы на 10 кА для сверхпроводящих магнитных систем. // Сер. Электрофизическая аппаратура. М.: Атомиздат, 1982 г., вып. 20, с. 90-92.

21 Akopyan D.G., Bajkin D.P., Dedjurin A.M., Egorov S.A., Koretsky A.Yu., Krasrtoperov V.G., Petrov V.V. Development of coaxial and detachable current leads. // IEEE Transactions on Magnetics, Jan. 1992, Vol.28, No.l, pp. 964-966.

22.Glukh.ikh V.A., Egorov S.A., Filatov O.G., Korsunsky S.E., Lamzin E.A., Sychevsky S.E., C.M.Weber, Batchelder R.R., Dixon K.D., Karasik V.R. 30 kV, 40 kA Cryogenic Current Leads and High Voltage Insulation Breaks for Helium Lines of Superconducting Magnets. // IEEE Transactions on applied superconductivirty, March 2000, Vol. 10, No.l, pp. 1477-1480.

23.Bortdarenko V., Egorov S., Lamzin E., Korsunsky V., Rodin I., Voronin N. Components of Thermal and electrical Insulations for the Superconducting Magnet Systems. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 15, No.2, June 2005, pp. 1435-1436.

24.Jida F„ Okuno K., Vieira R., Stoner J., Thome R.J., Salpietro E, Tsaji 11., Egorov S., Montgomery D.B. Progress in the ITER Model Coil Program. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, June 1995, Vol. 5, No.2 pp. 2316-2319.

25.Filatov О., BelyakovV., MuratovV., Egorov.S., BondarchoukE., AkopianD., MalkovA., Konstantinov Yu, Sokolov Yu, YakubovskyV, KrasnovS., CherdakovA., Spirchertko Yu., K., Chvartatscky R, GavrilovS., VasilievV., ShatilN., ZhelamskyM., KorsunskyV., KuchinskyV., Mikhailov M., GurievaT., ChaikaP., AstrovM., FedotovaS., EgorovaV., Rodin I., Dinaburg L., Dubasov V., Marshev V. TF conductor insert coil for testing in the ITER central solenoid model coil.//В кн.: Тезисы докладов шестой всероссийской конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. Санкт-Петербург, 27-29 Мая 1997, с. 104.

26.Belyakov К, Egorov S., Filatov О. et al. TF Conductor Insert Coil for Testing in the ITER Central Solenoid Model Coil. // Proceedings of Fifteenth International Conference on Magnet Technology, October 20-24, 1997, Beijing, China. Science Press, Beijing, China, Vol. 1, pp. 397-400.

27.Sytnikov V.E., Taran A.V., Mitrokhin V.A., Rychagov A.V., Filatov O.G., Egorov S.A. The long-length line for jacketing cable-in-conduit conductors // Fusion Engineering and Design, Vol. 45 (1999), pp. 209-216.

28.Tsuji #., Egorov S., Minervini J., Mitchell N.. Okuno A'., Salpietro E. ITER R@D: Magnets: Conductor and Joint Development. // Fusion Engineering and Design, Vol. 55, Issues: 2-3, July 2001, pp. 141-151.

29.Tsuji H., Egorov S., Minervini J., Martovetsky N., Okuno K., Takahashi Y., Thome R.J. ITER R@D: Magnets: Central Solenoid Model Coil. // Fusion Engineering and Design, Vol. 55, Issues: 2-3, July 2001, pp. 153-170.

30.Tsuji H., Okuno K., Thome R., Salpietro £., Egorov S., Martovetsky N.. RicciM., Zanino R, Zahn G„ Martinez A., Vecsey G., Arai K., Ishigooka Т., Kato Т., Ando Т., Takahashi Y., Nakajima H., Hiyama Т., Sugimoto M., Hogosane N., Matsukawa M„ Miura Y„ Terakado Т., Okano J., Shimada K., Yamashita M„ Isono Т., Kobumi N., Kawano K., Oshikiri M., Nunoya K, Matsui K., Tsuchiya Y., Nishijima G., Kubo H„ Shimba Т., Нага ImahashiK., UnoY., OdunchiT., Ohtsu K„ OkayamaJ., Kawasaki Т.,

KawabM, SekiS., Takano K., Takaya Y., Tajiri F., Tsutsumi F., Nakamura Т., Hanawa H., Wakabayashi H., Shimzu Т., Kuramochi K., Omine Т., Tamiya Т., Harada J., Nishii K., Huguet M., Mitchell N.. Bessette D., Minervini J., VieiraR., Michael P., Takayasu M., Bevilacqua G., Maix R., Manahan R, Jqyakumar R., Savoldi L, Herz W., Ninomiya A. Progress of the ITER central solenoid model coil programme. // Nuclear Fusion, Vol. 41, No.5, May 2001, pp. 645-651.

31 .Глухих B.A., Филатов О.Г., Беляков B.A., Егоров C.A., Манков А.А., Родин И.Ю., Суханова М.В., Гавршов С.В., Крылов В.А., Мудьюгин Б.Г., Бондарчук Э.Н., Якубовский В.Г., Чердаков А.К., Михайлов М.А., Константинов Ю.А., Соколов Ю.А., Яковлева Г.И., Яковлева С.И., Перегудов В.Г., Чайка П.Ю. Чеверев Н.С., Ситников В.Е., Рычагов А.В., Таран А.В. Изготовление и результаты испытаний Катушки-Вставки с Проводником Тороидальной Обмотки (КВПТО) ИТЭР. // Тезисы докладов VII Международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (ИПТР 2002), Санкт-Петербург, 28-31 Октября 2002 г., с. 98-100.

32.Sytnikov V., Cheverev N., EgorovS., Filatov O., Malkov A., Rodin I. et. al.. The production of the superconducting conductor for the TFCI. // IEEE transactions on applied superconductivity March 2002, Vol.12 No.l, pp. 1207-1210.

ЪЪ.Cheverev N., Glukhikh V., Filatov O., Belykov V., Muratov V., Egorov S., Rodin L, Malkov A., Sukhanova M., Gavrilov S., Krylov V., Mudugin В., Bondarchuk е., Yakubovsky V., Cherdakov A., Mikhailov M., Konstantinov Yu., Sokolov Yu., Yakovleva G., Peregudov S., Chaika P., Sytnikov V., Rychagov A., TaranA., ShikovA., Pantsyrny V., Vorobieva A., Dergunova E, Abdukhanov I., Mareev K„ Grysnov N. ITER TF Conductor Insert Coil Manufacturing. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 12, No.l, 2002, pp. 548-553.

34.Martovetsky N., Takayasu M., Minervini J., IsonoT., Sugimoto M., KatoT., Kawano K., Koizumi N.. NakajimaN., NunoyaY., Okuno K., TsujiH.,

OshikiriM., MitchelN., Takahashi Y., EgorovS., RodinL, ZapretilinaE., ZaninoR., SavoldiL, Arai K., Ninomiya A., TaranA., Vorobieva A., Mareev K. Test of the ITER TF Insert and Central Solenoid Model Coil // IEEE Transactions on Applied superconductivity, June 2003, Vol. 13, No 2, pp. 1441-1446.

35.Zani L.,Egorov S., Electromagnetic Analysis of the ITER Toroidal Coil Insert Properties // IEEE Transactions on Applied superconductivity, June 2003,Vol. 13, No 2, pp. 1416-1419.

Ъв.Глухих В.А., Филатов О.Г., Беляков B.A., Егоров С.А., МалковАЛ.,' Родин И.Ю., Суханова М.В., Гавршов С.В., Крылов В.А., Мудьюгин Б.Г., Бондарчук Э.Н., Якубовский В.Г., Чердаков А.К., Михайлов М.А., Константинов Ю.А., Соколов Ю.А., Яковлева Г.И., Яковлева С.И., Перегудов В.Г., Чайка П.Ю., Чеверев Н.С., Ситников В.Е., Рычагов А.В., Таран А.В., ШиковА.К., Панцирный В.И., Воробьёва А.Е., Козленкова Н.И., Дергунова Е.А., Абдюханов И.М., Мареев КА., Силаев А.И., Грязное Н.С., Martovetsky N., Takayasu М., Minervini J., IsonoT., SugimotoM., Koto Т., KawanoK, Koizumi N.. NakajimaH., NunoyaY., OkunoK, Tsuji H., OshikiriM., MitchelN., Takachashi Y., Zartino R., Savoldi L Изготовление и результаты испытаний катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР // В кн.: Тезисы докладов седьмой международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, Санкт-Петербург, 28-31 Октября 2003, с. 98-100.

37 .Чеверев Н.С., Глухих В.А., Филатов О.Г., Беляков В.А., ЕгоровС.А., Родин И.Ю., Корсунский В.Е., АстровМ.С., Запретилина Е.Р., Ланцетов А.А., МалковА.А., СухановаМ.В., Гавршов С.В., Крылов В.А., Мудьюгин Б.Г., Бондарчук ЭЛ., Чайка П.Ю., Якубовский В.Г., Чердаков А.К, Михайлов М.А., Константинов Ю.А., Соколов Ю.А., Яковлева Г.И., Яковлева СМ., Перегудов В.Г., Сытников В.Е.,

Рычагов A.B., Таран A.B., ШиковА.К, Панцирный В.И., Воробьёва А.Е., Козленкова Н.М., Дергунова Е.А., Абдюханов И.М., МареевКА., Грязное Н.С. Изготовление и результаты испытаний катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР//ВАНТ, Сер. Электрофизическая аппаратура. СПб.: «Профессионал», 2004. Вып. 2(28) с. 3-7.

3Z.Zanino R., Egorov S., Kim К., Martovetsky N.. Nunoya Y., Okuno К., Salpietro Е., Sborchia С., Takahashi Y., Weng P., Bagnasko M, Savoldi R., Polak M., Formisano A., Zapreti;ina E., Shikov A., Vedernikov G., Ciazynski D., Tard L„ Muzzi /,., Ricci M., délia Corte A., Sugimoto M, Hamada K., Portone A., HurdF., Mitchell N„ Nijhuis A., Ilyin Yu. Preparation of the ITER Poloidal Field Conductor Insert (PFCI) Test. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 15, No.2, June 2005, pp. 1346-1350.

Ъ9.Егоров C.A., Костгнко А.И. Расчет, сравнение и оптимизация магнитных систем сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии с различными геометрическими формами. // Доклады советских специалистов на совместном семинаре СССР-США "Индуктивные накопители энергии и коммутационная аппаратура для термоядерных установок". Л.: НИИЭФА, 1974, Доклад №1,12 с.

40 .Егоров С.А., Костенко ЛИ. Метод расчета и оптимизации сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии с различными геометрическими формами. // Доклады Всесоюзного совещания по инженерным проблемам управляемого термоядерного синтеза, Том III, Л.: НИИЭФА, 1975, с. 195-207.

А\.Егоров С.А., Костенко A.M. Расчет и анализ параметров магнитной системы сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии в форме круговой катушки. // Препринт Б-0288, Л.: НИИЭФА, 1975,28 с.

42. Егоров С.А., Костенко А.И. К применению сверхпроводящей круговой катушки с круговым сечением обмотки в качестве магнитной системы

индуктивного накопителя энергии. // Препринт Б-0266, Л.: НИИЭФА, 1976, Юс.

41.Егоров С.А., Костенко А.И. Расчет, сравнение и оптимизация магнитных систем сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии с различными геометрическими формами. // Электрофизическая аппаратура, Вып. 14, М.: Атомиздат, 1976, с. 79-90.

44. Егоров С.А., Костенко А.И. К применению системы из двух сверхпроводящих эллипсоидальных катушек не имеющей внешнего магнитного поля, в качестве индуктивного накопителя энергии. Часть I. // Препринт Б-0310, Л.: НИИЭФА, 1976,15 с.

45 .Егоров С.А., Костенко А.И. К применению системы из двух сверхпроводящих эллипсоидальных катушек не имеющей внешнего магнитного поля, в качестве индуктивного накопителя энергии. Часть II. // Препринт Б-0346, Л.: НИИЭФА, 1977,25 с.

46.Егоров С.А., Костенко А.И. К применению сверхпроводящих сферических катушек в качестве индуктивных накопителей энергии. // Препринт Б-0329, Л.: НИЭФА: 1977.

47 .Егоров С. А. Магнитные системы сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии без внешних полей. // Доклады II Всесоюзной конференции по ИПТР, Л.: НИИЭФА, 1982, т. П, с. 193-198.

48 .Егоров С.А. Активно экранированные магнитные системы сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии цилиндрической конфигурации. // Труды Второй Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости. В кн. Сверхпроводимость в технике, т. I, Л.: ЛНИВЦ, 1984, с. 317-320.

49.Егоров С.А., Исакова Т.А., Костенко А.И. Магнитная система индуктивных накопителей без внешних полей. // Доклады III Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, т. II, М.: ЦНИИ Атоминформ, 1984, с. 114-121.

50.Akopyan D.G., Batakov Yu.P., Dcdjurin A.M., Druzhinin A.S., Egorov S.A Zaprelilina E.R., Kostenko A.I., Kuchinsky V.G., Larionov B.A Monoszon N.A., Trokhachev G.V., Filatov O.G., Andrianov V.V Kolyadin N.M., Polulyakh E.P., Bashkirov Yu.A.Jgnatov V.E., Sytnikov VI Magnet energy storages. // IEEE Transactions on Magnctics, Jan. 199^ Vol.28, No.l, pp. 398-401 (Proc. 12th International Conference on Magnt Technology, Leningrad, USSR, June 23-28, 1991).

51. Glukhikh V., Filatov O., Belyakov V., Egorov S., Kuchinsky V., Sytnikiv V ShikovA. Feasibility of SMES Devices Basing on the Developed Technology c Superconducting Magnets for Tokamak Fusion Reactors. // IEEE Transaction on Applied Superconductivity, March 2000, Vol. 10, No.l, pp. 771-77.

Подписано к печати 18.09.2006 г. Формат 60X90/16. Уч. - изд. л. 2.0. Тираж 100 экз. Заказ № 70

Отпечатано в ФГУП «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова»

Введение

Глава 1. Состояние разработок и проблемы создания сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии (СПИН) и электромагнитных систем (ЭМС) термоядерных реакторов-токамаков

1.1. Развитие работ по созданию сверхпроводящих токамаков

1.2. Инженерные проблемы создания сверхпроводящих ЭМС токамаков следующего поколения

1.3. Возможности индуктивного метода накопления и преобразования энергии. Общие конструктивные черты СПИН различных типов

1.4. Основные конструктивные типы СПИН

1.4.1. СПИН для импульсных систем питания электрофизических установок

1.4.2. «Микро»-СПИН для применения в электроэнергетических сетях

1.4.3. Сетевые регуляторы мощности (СРМ) на основе СПИН среднего класса энергоемкостью 107- Ю10 Дж

1.4.4. Аккумулирующие электростанции (Ак Эс) на основе СПИН

Глава 2. Расчетные и экспериментальные исследования в обоснование выбора конструкции обмоточных сверхпроводников для СПИН и токамаков

2.1. Разработка методов расчета потерь энергии для применения при оптимизации конструкции обмоточных сверхпроводников

2.1.1. Принцип расчета кооперативных токов и потерь энергии в обмоточных сверхпроводниках на основе решения краевой задачи для металлокомпозиций

2.1.2. Анализ кооперативных потерь энергии и оптимизация конструкции сверхпроводящих многоволоконных проводов (СМП) и обмоточных кабелей

2.2. Расчетные и экспериментальные исследования некоторых аспектов стабилизации обмоточных сверхпроводников для СПИН и токамаков

2.2.1. Эмпирический метод расчета запаса стабильности сверхпроводников типа "кабель-в-оболочке" при равномерном распределении тока по жилам кабеля

2.2.2. Экспериментальные исследования деформации кабеля под действием пондеромоторных сил, потерь энергии на механический гистерезис и оценка уровня тепловых возмущений механической природы в обмоточных сверхпроводниках типа «кабель-в-оболочке»

2.2.3. Исследования по предотвращению деградации ЭМС с нестационарными магнитными полями, обусловленной неравномерностью распределения тока по жилам и субкабелям сверхпроводящего обмоточного кабеля

Глава 3. Разработка и создание сверхпроводящих компаундированных соленоидов с нестационарными магнитными полями, компонентов тепловой и электрической изоляции и высоковольтных криогенных токовводов для ЭМС СПИН и токамаков

3.1. Разработка компаундированных сверхпроводящих соленоидов с рабочей скоростью изменения магнитной индукции 1-2 Тл/с

3.2. Сверхпроводящая зарядная катушка плазмофизической установки LDX

3.3. Разработка высоковольтных криогенных токовводов для СПИН и ЭМС токамаков

3.4. Разработка компонентов тепловой и электрической изоляции ЭМС СПИН и токамаков

Глава 4. Разработка, изготовление и испытания модельной катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР

4.1. Международная Программа по созданию и испытаниям модельных катушек ИТЭР

4.2. Конструкция и изготовление КВПТО

4.3. Испытания КВПТО на международном стенде ИТЭР в Японии

4.4. Постиспытательные исследования состояния КВГГГО

Глава 5. Расчет и оптимизация магнитных систем сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии

5.1. Вводные замечания

5.2. Принципы построения математической модели и решения задач на оптимизацию СПИН

5.2.1. Способ описания геометрической формы (конфигурации) и распределения токов обмотки СПИН

5.2.2. Вывод расчетных соотношений в общем виде. Основные и дополнительные ограничения

5.2.3. Применяемый метод решения экстремальных задач

5.2.4. Анализ общих закономерностей влияния конфигурации обмотки на технико-экономические характеристики СПИН в отсутствие дополнительных ограничений

5.2.5. Расчет и оптимизация СПИН при наличии дополнительных ограничений

5.3. Примеры решения конкретных задач на оптимизацию СПИН без дополнительных ограничений на габаритные размеры обмотки

5.4. Магнитные системы СПИН без внешних магнитных полей, допускающих транспортировку автомобильным и железнодорожным транспортом

5.4.1. Общие замечания

5.4.2. «Аксиально-вытянутые» тороиды с дополнительными секциями

5.4.3. Расчет и оптимизация систем активно экранированных коаксиальных круговых катушек

5.5. Технико-экономический анализ вариантов построения МС СПИН энергоёмкостью 30-1500 МДж для применения в электроэнергетических сетях

Актуальность работы. Сверхпроводящие электромагнитные системы (ЭМС) термоядерных реакторов-токамаков и сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН) являются двумя родственными направлениями крупномасштабного применения сверхпроводниковых технологий в электроэнергетике, дальнейшее развитие которых во многом определит облик энергетики будущего в сферах генерации и управления потоками электроэнергии.

Ключевым этапом на пути освоения термоядерной энергетики явится создание Международного экспериментального реактора-токамака ИТЭР, к строительству которого в рамках межправительственных соглашений в 2007 г. приступают ведущие научные и промышленные организации из стран Европейского сообщества, Японии, России, США, Китая и Южной Кореи. В ИТЭР, как и в реакторах для промышленных электростанций, формирование и магнитное удержание термоядерной плазмы обеспечивает магнитное поле с индукцией до 13 Тл, генерируемое ЭМС. Все обмотки ЭМС ИТЭР для снижения омических потерь энергии необходимо должны быть сверхпроводящими и способными работать под воздействием нестационарного магнитного поля, изменяющегося во времени со скоростью до 0,5-1 Тл/с. В связи с этим конструкция ЭМС ИТЭР учитывает как опыт создания первого в мире сверхпроводящего токамака Т-7, разработанного в РНЦ «КИ», и последовавшего за ним сверхпроводящего токамака Т-15, так и опыт предшествующих разработок СПИН с малыми потерями энергии при быстром изменении магнитного поля.

Создание сильного магнитного поля с помощью электромагнита или накопление в нем энергии неразрывно связано с необходимостью восприятия пондеромоторных сил, действующих на обмоточные проводники. Для сверхпроводящих ЭМС восприятие этих сил осложняется малой теплоемкостью конструкционных материалов при низких температурах. Тепловые возмущения плотностью даже в несколько мДж/см3 способны вызвать локальный перегрев сверхпроводника выше критической температуры и переход обмотки в нормальное состояние. Разработка конструкции и технологии сверхпроводящих ЭМС с нестационарными магнитными полями и запасенной энергией в сотни и тысячи МДж, стабилизированных относительно этих возмущений, требуется как для ИТЭР, так и СПИН, способных работать в качестве регуляторов активно-реактивной мощности в электроэнергетических передающих линиях и системах для обеспечения надежного безаварийного снабжения потребителей качественной энергией, которое в условиях рыночной экономики становится все более актуальным.

Целью работы является разработка принципов построения конструкции и технологии сверхпроводящих сильноточных высоковольтных электромагнитных систем со скоростями изменения магнитного поля в обмотках до 1-2Тл/с, их экспериментальная проверка на модельных, прототипных и головных образцах и доведение до уровня, позволяющего непосредственно приступить к рабочему проектированию и сооружению ЭМС термоядерного реактора ИТЭР и СПИН для применения в электроэнергетических сетях и системах.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Теоретические и экспериментальные исследования в обоснование мер по обеспечению стабильности обмоточных сверхпроводников для СПИН и токамаков и уменьшению выделяющихся в них кооперативных потерь энергии.

2. Разработка конструкции и технологии многоцелевых компаундированных соленоидов с нестационарными магнитными полями из сверхпроводников с внутренней стабилизацией; создание и проведение исследований головных образцов, включая ресурсные испытания.

3. Разработка и создание высоковольтных сильноточных криогенных токовводов и компонентов системы электроизоляции для СПИН и токамаков.

4. Проведение НИОКР по разработке и экспериментальной проверке конструкционных решений и технологий сверхпроводящих ЭМС, закладываемых в проект ИТЭР, в части создания и испытаний модельной катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР.

5. Расчетно-теоретические исследования по определению конфигураций ЭМС, обеспечивающих минимальность суммарных капитальных затрат на сооружение СПИН как комплексного устройства, включая стоимость ЭМС, криостата и системы криообеспечения.

6. Разработка принципов построения и конфигурации СПИН для сетевых регуляторов активно-реактивной мощности энергоемкостью 30-1500 МДж и мощностью 10-120 МВт.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Впервые предложен принцип расчета распределения электрического поля и плотности токов в обмоточных сверхпроводниках, исходя из условий для напряженности электрического поля на границах сверхпроводник-матрица при предельном переходе к бесконечно тонким сверхпроводящим волокнам, с применением которого (а) впервые получено строгое (самосогласованное) решение задачи о потерях энергии в сверхпроводящих многоволоконных проводах (СМП) при переходе части волокон в резистивное состояние; (б) разработаны методы практического расчета потерь энергии в СМП с многослойной матрицей и проведен количественный анализ эффективности применения резистивных барьеров для снижения потерь энергии; (в) теоретически предсказано и экспериментально подтверждено влияние направлений и шагов скрутки на величину кооперативных потерь энергии в сверхпроводящих пропаянных кабелях.

2. Предложены принципы устранения деградации сверхпроводящих обмоток из-за неравномерности распределения токов по элементам обмоточных кабелей, разработаны расчетные методы и стендовая установка для испытаний пилотных образцов обмоточных сверхпроводников с целью выявления и предотвращения деградации ещё на стадии проектирования обмоток.

3. Выявлена причина и устранена деградация сверхпроводящих обмоточных кабелей с электрически изолированными друг от друга жилами; разработана конструкция и технология компаундированных обмоток СПИН, сохраняющих сверхпроводимость при скоростях изменения магнитного поля 1-2 Тл/с и отличающихся минимальностью кооперативных потерь энергии в обмоточных кабелях.

4. Разработаны принципы построения конструкции и создан головной опытно-промышленный образец многоцелевого сверхпроводящего компаундированного соленоида с нестационарным магнитным полем и запасом энергии 12МДж, который по совокупности конструктивных признаков может быть отнесен к новому типу.

5. Впервые предложен и реализован при испытаниях проводника СПИН на 100 МДж метод исследования механического поведения сверхпроводящего кабеля внутри оболочки путем измерения распределения напряженности электрического поля на поверхности оболочки при приложении треугольных импульсов поперечного магнитного поля, позволяющий уточнить требования к необходимому запасу стабильности кабеля относительно тепловых возмущений, обусловленных механическими движениями жил кабеля.

6. Проведено исследование по выбору конструкции теплообменников токоведущих частей, разработан новый тип проходных изоляторов с газонаполненными электроизоляционными промежутками и освоен опытно-промышленный выпуск криогенных высоковольтных токовводов на ток 2-80 кА рабочее напряжение до 30 кВ для СПИН и токамаков.

7. Реализован как часть программы НИОКР в обоснование проектирования международного токамака ИТЭР проект Модельной катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР, в ходе выполнения которого получили экспериментальную проверку принципы построения конструкции и новые технологии, закладываемые в проект ЭМС ИТЭР.

8. Разработана методика оптимизации конфигурации обмоток для обеспечения наилучших технико-экономических характеристик СПИН как комплексных устройств с учетом и без учета ограничения на диаметр витков по условиям заводского изготовления и/или транспортировки СПИН, с применением которой обоснована концепция типового ряда СПИН для применения в электроэнергетических сетях, предусматривающая создание унифицированного многофункционального модуля СПИН энергоемкостью 30-60 МДж и составление СПИН энергоемкостью до 1500 МДж из таких типовых модулей. Впервые предложены и проанализированы специальные типы обмоток для применения в транспортабельных СПИН без внешних магнитных полей в виде системы коаксиальных цилиндрических катушек с полной активной экранировкой наружного поля и «вытянутых» D-образных тороидальных катушек с дополнительными вложенными секциями.

Практическая ценность диссертационной работы. Результаты проведенных НИР и ОКР дают возможность приступить к участию в рабочем проектировании и сооружении ЭМС международного токамака ИТЭР, а также СПИН энергоемкостью вплоть до 1500 МДж для применения в электроэнергетических сетях и системах. Разработанные конструкции и технологии сверхпроводящих соленоидов с нестационарными магнитными полями, криогенные токовводы и технологическое оборудование пригодны для применения при создании широкого класса ЭМС других назначений с магнитными полями до 13 Тл в апертуре до 1 м на рабочий ток 2-80 кА и напряжение до 30 кВ.

Апробация результатов и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на I-VII международных конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов (ИГТГР) в период с 1974 по 2002 гг.; по магнитной технологии (МТ-12, 1991 г., в СССР; МТ-15, 1997 г. в Китае; МТ-16, 1999 г., в США; МТ-17, 2000 г., в Швейцарии); по Проблемам прикладной сверхпроводимости (ASC-2002 и ASC-2004, в США); на технических совещаниях Международных рабочих групп ИТЭР по проводнику и модельным катушкам ИТЭР в период с 1989 по 2003 гг.; на тематической международной конференции по криогенным материалам в 1998 г. в Университете Твенте, Голландия.

Результаты диссертации опубликованы в 51 научной работе.

Основные результаты диссертационной работы приведены в выводах, заключающих каждую главу, и могут быть кратко сформулированы следующим образом:

Впервые предложен принцип расчета распределения электрического поля и плотности токов в обмоточных сверхпроводниках, исходя из условий для напряженности электрического поля на границах сверхпроводник-матрица при предельном переходе к бесконечно тонким сверхпроводящим волокнам, с применением которого (а) впервые получено строгое (самосогласованное) решение задачи о потерях энергии в сверхпроводящих многоволоконных проводах1 (СМП) при переходе части волокон в резистивное состояние; (б) разработаны методы практического расчета потерь энергии в СМП с многослойной матрицей и проведен количественный анализ эффективности применения резистивных барьеров для снижения потерь энергии; (в) теоретически предсказано и экспериментально подтверждено влияние направлений и шагов скрутки на величину кооперативных потерь энергии в сверхпроводящих пропаянных кабелях.

Предложены принципы устранения деградации сверхпроводящих обмоток из-за неравномерности распределения токов по элементам обмоточных кабелей, разработаны расчетные методы и создана стендовая установка для ' испытаний пилотных образцов обмоточных сверхпроводников с целью выявления и предотвращения деградации ещё на стадии проектирования обмоток.

Выявлена причина и приняты меры по устранению деградации сверхпроводящих обмоточных кабелей с электрически изолированными друг от друга жилами; разработана конструкция и технология компаундированных обмоток СПИН, сохраняющих сверхпроводимость при скоростях изменения магнитного поля 1-2 Тл/с и отличающихся минимальностью кооперативных потерь энергии в обмоточных кабелях.

Разработаны принципы построения конструкции и создан головной опытнопромышленный образец многоцелевого сверхпроводящего компаундированного соленоида с нестационарным магнитным полем и запасом энергии 12;МДж, который по совокупности конструктивных признаков может быть отнесен к новому типу.

Впервые предложен и реализован при испытаниях проводника СПИН на 100 МДж метод исследования механического поведения сверхпроводящего кабеля внутри оболочки путем измерения распределения напряженности электрического поля на поверхности оболочки при приложении треугольных импульсов поперечного магнитного поля, позволяющий уточнить требования к необходимому запасу стабильности кабеля относительно тепловых возмущений, обусловленных механическими движениями жил кабеля.

Проведено исследование по выбору конструкции теплообменников токоведущих частей, разработан новый тип проходных изоляторов с газонаполненными электроизоляционными промежутками и освоен опытно-промышленный выпуск криогенных высоковольтных токовводов на ток 2-80 кА рабочее напряжение до 30 кВ для СПИН и токамаков.

Реализован как часть программы НИОКР в обоснование проектирования международного токамака ИТЭР проект Модельной катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР, в ходе выполнения которого получили экспериментальную проверку принципы построения конструкции и новые технологии, закладываемые в проект ЭМС ИТЭР.

Разработана методика оптимизации конфигурации обмоток для обеспечения наилучших технико-экономических характеристик СПИН как комплексных устройств с учетом и без учета ограничения на диаметр витков по условиям ^заводского изготовления и/или транспортировки СПИН, с применением которой обоснована концепция типового ряда СПИН для применения в электроэнергетических сетях, предусматривающая создание унифицированного многофункционального модуля СПИН энергоемкостью 30-60 МДж и составление СПИН энергоемкостью до 1500 МДж из таких типовых модулей. Впервые предложены и проанализированы специальные типы обмоток для применения в транспортабельных СПИН без внешних магнитных полей в виде системы коаксиальных активно экранированных цилиндрических катушек и «вытянутых» D-образных тороидальных катушек с дополнительными вложенными секциями.

Результаты проведенных НИОКР дают возможность приступить к участию в рабочем проектировании и сооружении ЭМС международного токамака ИТЭР, а также СПИН энергоемкостью вплоть до 1500 МДж для применения в электроэнергетических сетях и системах. Разработанные конструкции и технологии сверхпроводящих соленоидов с нестационарными магнитными полями, криогенные токовводы и технологическое оборудование пригодны для применения при создании широкого класса ЭМС других назначений с магнитными полями до 13 Тл в апертуре до 1 м на рабочий ток 2-80 кА и напряжение до 30 кВ.

В заключение считаю своим приятным долгом выразить глубокую признательность руководству ФГУП «Научно-исследовательский институт им. Д.В. Ефремова» в лице научного руководителя института академика РАН В.А. Глухих, генерального директора института О.Г. Филатова, зам. генерального директора института В.А. Белякова, а также заместителю директора центра УТС Н.С. Чевереву за постоянную поддержку, помощь и непосредственное участие в работе. Считаю необходимым выразить также искреннюю благодарность за творческую и плодотворную атмосферу в среде Российской научной школы технической сверхпроводимости в лице её вдохновителя и создателя чл. корр. РАН Н.А. Черноплекова. Выражаю глубокую признательность ушедшим от нас выдающимся ученым, которых считаю своими учителями, к.т.н. А.И. Костенко, к.т.н. Г.В. Трохачеву, проф. Н.А. Моносзону, к.т.н. В.В. Андрианову, к.т.н. И.А. Кирьенину, проф. В.Р. Карасику. От всего сердца благодарю за многолетнее плодотворное сотрудничество д.т.н. В.Е. Сытникова, д.т.н. А.К. Шикова, д.т.н. В.И. Панцирного, к.т.н. А.В. Тарана, к.т.н. А.В. Рычагова, д.т.н. B.C. Высоцкого, к.т.н. А.Е. Воробьеву, к.т.н. Е.А. Дергунову, к.т.н.

Г.П. Ведерникова, к.т.н. Н.С. Грязнова, коллектив НТЦ «Синтез» в лице зам. директора Ю.Н. Некрылова, В.П. Муратова, В.А. Короткова, Б.В. Люблина, Н.И. Спассковой, П.Ю. Чайки, д.ф-м.н. С.Е. Сычевского, к.т.н. А.А. Малкова, к.т.н. Э.Н. Бондарчука, д.ф-м.н. Е.А. Ламзина, д.т.н. И.В. Мазуля, Т.М. Гурьевой, коллектив отдела сверхпроводящих магнитных систем и особенно к.т.н. И.Ю. Родина, В.Е. Корсунского, Е.Р. Запретилину, В.И. Бондаренко, М.С. Астрова, В.И. Егорову, С.Б. Федотову, Г.Ю. Кардонову.

294

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Велихов Е.П., Глухих В.А. Импульсные источники энергии для исследовательских термоядерных установок и реакторов //Физика и техника мощных импульсных систем /Под ред. Е.П. Велихова. -М.: , Энергоатомиздат, 1987.-е. 3-20.

2. Буткевич И.К., Иванов Д.П., Кикнадзе Г.И.и др.; Под редакцией Н.А.Черноплекова.Сверхпроводящие магнитные системы для ТОКАМАКов //-М.: РНЦ "Курчатовский институт", ИздАТ, 1997. -168 е.

3. Turk В., Torossian A. Operating experience of Tore Supra Superconducting Magnets.// Presented at 15 th IEEE/NPS SOFE, Hyanis (MA , USA), Oct. 1993. -p. 6.

4. LibeyreP. et al. Conceptual Design of the ITER TF Model Coil//IEEE Transactions on Applied Superconductivity, June 1995, Vol.5, No.2. p. 2260 -2264.

5. Takahashi K, Yoshida K., Ando Т., Hiyama Т., Tsuji H., Tada E., Okuno K., Koizumi-K., Nakajima H. Experimental results of the Nb3Sn demo poloidal coil (DPC-EX). //Cryogenics, Vol. 31,No.l, 1991. -p.640-644.

6. Green B. J., Huguet M. The ItER Project: Status and prospects. I I IEEE Trans. Magn., Vol. 32, No. 4,1996. -p.2224-2229.

7. Егоров С.А. Состояние разработок сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии. // Обзор ОБ-59, JI.: НИИЭФА, 1983. 47 с.

8. Диденко А. Сильноточные ускорители электронов. // Труды III Международной конференции по мощным электронным и ионным пучкам, Т.1, Новосибирск, 1979. -с.216-219.

9. Polulyakh Е. P., Spiridonov А. К, Plotnikova L. A., Afanas'ev V. A., Kharinov M.L. Opportunities for "Dual Use" of Special Superconducting Magnetic Systems in TRINITI. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1999, Vol. 9, No. 2.-p. 309-312.

10. Андрианов В.В., Париж М.Б., Копылов С.И. Сверхпроводящие обмотки с параллельно соединенными секциями. // Препринт ИВТАН № 4-070, М.: 1981.-52 с.

11. Giese R. Superconducting energy systems. // Report ANL, January 1994. 56 P

12. Parizh M, Kalafala A.K., Wilcox R. Superconducting Magnetic Energy Storage for Substation Applications. // IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 7,No.'2,1997. -p.849-852.

13. Andrianov V.V., Archangelsky A.Yu., Kopylov S.I., Parizh M.B., Zheltov V.V. Comparative Analysis of single- and multi-winding superconducting Magnetic Energy Storage Performance. // Cryogenics, Vol.30,No. 8,1999. -p.742-743.

14. Seong К. С., Kim H.J., Kim S. W., Cho J. W., Kwon Y.K., Ryu K.S., Yu IK. and Hahn S.Y. Current status of SMES in Korea. // Cryogenics, Vol. 42, No. 6-7, 2002. -p. 351-355.

15. Douglas J. The delivery system of the future // FPRI Journal, Oct.-Nov. 1992. -p.4-17.

16. Yamamoto M., Satow Т., Tsukamoto O., Murakami Yi, Masada E. SMES project plan. // Cryogenic Engineering, 1998, Vol. 33. p. 454-459.

17. Lornzen H., Brammer U., Harke M., Rosenbauer F. Small and fast- acting SMES systems. // Handbook of Applied Superconductivity, Vol. 2. IOP Publishing LTD, 1998.-p.1703-1734.

18. Lue J.M., Peterson H.A., Boom R. W. Superconducting storage for tokamak fusion reactors.// Proc. 6th symp. Eng. Problems of Fusion Research, San Diego, 1975.-p. 318-321.

19. Mills F.E. The Fermilab cryogenic energy storage system. // IEEE Trans. Magnet, 1975, Vol. MAG-11, No. 2. -p.485-492.

20. Rogers J.D. et al. Superconducting Magnetic Energy Storage Unit for Stabilizing an Electric Transmission System.// IEEE Trans. Magnet., 1979, Vol. MAG-15, No. 1. -p.820-823.

21. Hiking X., Krai S., Lehmann G., Lvovsky Y., Xu M. 30 MW Babcock and Wilcox SMES Program for Utility Applications. // IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 5, № 2,1995. -p.428-432.

22. Karasik. V., Dixon K., Weber C„ Batcherler В., Campbell G., Ribeiro P. SMES for power utility application: a review of technical and cost considerations. //IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 9, 1999. -p.541-546.

23. Stekl^ Z.J.J. Magnetic Energy Storage Using Superconducting Coils. IDA/HQ. 63-1412/ Pulse-Power Conf., 1963. -p.53.

24. Ferrier M. Stockage d'energie dans un enroulment supraconducteur. // Proc. Conf. Low Temperature and Electric Power. Pergamon Press, Oxford, 1970. -p.425 -432.

25. Boom R.W., Peterson H.A., Young W.C. Wisconsin superconductive energy storage project. Vol. I, 1974; Vol. II, 1976; Vol. Ill, 1977. Engin experimental station college of engine, university of Wisconsin-Madison.

26. Ullrich G. Summary of DNA SMES development program. // IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 5, No. 2,1995. -p.416-421.

27. Luongo C. Review of the Bechtel Teams SMES design and future plans for a technology demonstration unit. // IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 5, No. 2,1995. -p.422-427

28. Wilson M.N., Waiters C.R., Lewin J.D., Smith P.F., Spurway A.H. Experimental and theoretical studies of filamentary superconducting composites // J Phys D! Appl Phys.,Vol.3, No. 3 ,1970. -p. 1517-1583.

29. Брехна Г. Сверхпроводящие магнитные системы. М.: Мир,1976. 794 с.

30. Ciazynski D., Turk В D. Theoretical and experimental study of the saturation of a superconducting composite under fast changing magnetic field. // Cryogenics, Vol. 24, Issue 10, 1984. -p. 507-514.

31. Zenkevitch V.B., Romaniuk A.S. Losses in multifilamentary superconductors at low levels of excitation. // IEEE Trans. Magnet., Vol. MAG.-13, No. 1, 1977. -p. 567-570.

32. Carr W.J.Jr. AC loss in a twisted filamentary superconducting wire. // J. Appl. Phys, Vol. 45, No. 2,1974. -p.929-938.

33. Ogasawara Т., Itoh. M., Kubota Y., Kanbara K., Takahashi Y., Yasohama K., Yasukochi K. Transient field losses in multifilamentary composite conductors carrying transport current. // IEEE Trans. Magnet., Vol. 17, No. 1, 1981.-p.967-970

34. Hartmann R.A. A contribution to the understanding of AC losses in composite superconductors. // Ph.D. Thesis, University of Twente, the Netherlands, ISBN 90-9002966-4,1989.-174 p.

35. Дойников Н.И., Моносзон H.A., Трохачев Г.В. Определение добавочных потерь и запасенной энергии в соленоидах при переходных процессах. // Препринт НИИЭФА Б-0137, Л., 1971.-17 с.

36. Уилсон М. Сверхпроводящие магниты. М.: Мир, 1985, 407 с.

37. Egorov S., Astrov М., Fedotova S. Energy losses in a thin-wall tube multifilament composite superconductor carrying a transport current in a time-varying transverse magnetic field. // Physica C, Vol. 310, 1998. -p. 302-308.

38. Егоров С.А. К расчету вихревых потерь энергии в сверхпроводящих многожильных проводах для импульсных магнитов. // Препринт П-Б-0485, Л, НИИЭФА, 1980.-18 с.

39. Егоров С.А. О влиянии соотношений шагов и направлений скрутки на величину вихревых потерь энергии в сверхпроводящем многоволоконном пропаянном кабеле для импульсных магнитов. // Препринт П-Б-0485, Л.: НИИЭФА, 1981.-9 с.

40. Егоров С.А. К расчету вихревых потерь энергии в сверхпроводящих пропаянных кабелях для импульсных магнитов. // Препринт П-Б-0484, Л.: НИИЭФА, 1982. 25 с.

41. Альтов В.А., Зенкевич В.Б., Кремлев М.Г., Сычев В.В. Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем. // М.: Энергия, 1975. -327 с.

42. Ще$пвг L. Stability-Optimized Force-Cooled Multifilamentary Superconductors. // IEEE Trans. Magnet., Vol. MAG-13, No. 1, 1977. -p.670 672/

43. Шатиль H.A. Численное моделирование термогидравлических процессов в элементах сверхпроводниковых магнитных систем и систем их криогенного обеспечения // Дис. канд. техн. наук. Санкт-Петербург. 2000. -153 с.

44. Schmidt C. Transient heat transfer into a closed small volume of liquid or supercritical helium II Cryogenics, Vol. 28, № 9,1989. -p. 585-598.

45. Ciazynski D., Turck B. Stability criteria and critical energy in superconducting cable-in-conduit conductors. // Report P/EM/93.06.CEA, Cadarache, 1993. -17 p.

46. Duchateau J.L., Turck В. Self-field degradation effect in adiabatic conditions. // Cryogenics, September 1974. -p.481-486.

47. Duchateau J.L., Turck В., Krempasky L., Polak M. The self-field effect in twisted superconducting composites. // Cryogenics, February 1976. -p.97-102.

48. Duchateau J.L., Turk В. Dynamic stability and quench currents of superconducting multifilamentary composites under usual cooling conditions. // J.Appl. Phys., Vol. 46, No. 11, 1975. -p.4989-4995.

49. Vysotsky V.S., Funaki К, Takeo M. Current non-uniformity in multistrand superconducting cables experimental studies and influence on superconducting magnet stability - (Review) // IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 10, No. 1,2000.-p. 1190-1195

50. Takayasu M, Ferri M.A., Gung C. Y., Painter ТА., Steevs M.M., Minervini J. V. Measurements of Ramp-Rate Limitation of cable-in-conduit conductors. // IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 3, 1993. -p. 456-459.

51. Verweij A.P., ten-Kate H.H.J., Leroy D., Oberli L., Siemko A. Ramp rate induced quenches in the one-meter dipole model magnets for the CERN LHC // Preprint -ASC'94,1994. -A p.

52. Verweij A.P., ten Kate HH. Super-Coupling Currents in Rutherford type of cables due to longitudinal non-homogeneities of dB/dt: Preprint-ASC'94, 1994. -4p.

53. Verweij A.P., ten Kate H.H.J. Super Coupling Currents in Rutherford type of cables due to longitudinal non-homogeneities of dB/dt. // IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 4, 1995. -p.404-407.

54. Krempasky L., Schmidt C. Influence of a longitudinal variation of dB/dt on the magnetic field distribution of accelerator magnets. // Appl. Phys. Lett., Vol.66, No. 12, 1995. -p. 1545-1547.

55. Verweij A.P. Boundary-induced coupling currents in a 1.3 m Rutherford-type cable due to a locally applied field change. // IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 7,No. 2, 1997. -p.270-273.

56. Verweij A.B. Modelling boundary-induced coupling currents in Rutherford-type cables. // IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 7, No. 2 , 1997. -p.723-726.

57. Turck. B. Influence of a transverse conductance on a current sharing in a two-layer superconducting cable. // Cryogenics, No. 8, 1974. -p.448-454.

58. Faivre D., Turck B. Current sharing in an insulated multistrand cable in transient and steady state current conditions. // IEEE Ttrans. Magnet. Vol. MAG-17, No. 1,1981. -p.1048-1051.

59. Amemiya N. Overview of current distribution and re-distribution in superconducting coils and their influence on stability. // Cryogenics, Vol. 38, No. 5,1998. -p.545-550.

60. Amemiya N., Ryu K., Kikuchi Т., Tsukumoto O. Influence of Current Redistribution and Thermal Diffusion Among Strands on Stability of Superconducting Cables Against Local Disturbances.// IEEE Trans Mag., Vol. 30, 1994.-p. 2281-2284.

61. Amemiya N., Tsukamoto O. Stability Analysis of Multi-Strand Superconducting Cables. // IEEE Trans. Appl. Superconductivity, No. 5, 1995. -p.218-221.

62. Koizumi N., Okuno K., Takahashi Y, Tsuji H., Shimamoto S. Current Imbalance Due to Induced Circulation Currents in a Large Cable in Conduit Superconductor. I I Cryogenics, 36,1996. -p. 409-418.

63. Shimada M, Mitchell N. Simulation of the ITER-CS Coil Operation Including the Effect of the Ramp rate Limitation. // IEEE Trans, on Appl. Superconductivity, June 1997., -p.759-761.

64. Mitchell N. Analysis of Non-Uniform Current Distribution Effects in Multistage Cable-in-Conduit Conductors. // Cryogenics, Vol. 39, No.9, 1999. -p.539-556.

65. Mitchell N. Steady State Analysis of Non-Uniform Current Distribution in Cable in conduit Conductors and Comparison with Experimental Data. // Cryogenics, Vol. 40,2000. -p.99-116.

66. Ries G. Stability in superconducting multistrand cables. // Cryogenics, No. 9, 1980.-p.513-519.

67. Егоров С.А., Астров M.C., Калиниченко M.A. Оценка неравномерности распределения транспортного тока в сверхпроводящем многостадийном кабеле из-за кратности шагов скрутки на различных стадиях изготовления. //

68. Тезисы докладов Шестой Всероссийской конференции по Инженерным проблемам термоядерных реакторов (ИПТР-6), Санкт Петербург, Россия (2729 мая 1997).- с.110.

69. EgOrov S.A., Astrov M.S., Kalinichenko M.A. Effect of the subcable twist pitch ratio on the circulation currents induced by the time varying self field of multistage superconducting cables. // Plasma Devices and Operation, Vol.6,1998. -p. 167-172.

70. Egorov S.A., Koretsky A.Yu., Zapretilina E.R. Interstrand coupling AC-losses in multistage cable-in-conduit superconductors. // Cryogenics, 1992, Vol. 32, ICEC Supplement, -p. 439-442.

71. Egorov S.A. Coupling losses in superconducting multistage cables with and without additional co-twisted copper strands. // Physica C, Vol. 310, 1998. -p. 272-276.

72. Glukhikh V., Filatov О., Belykov V., Egorov S., Korsunsky V., Rodin I. Cryogenic Test Facility of the D.V. Efremov Institute. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, March 2000, Vol.10, No.l. -p. 1564-1567.

73. Глухих В.А., Гускев О.А., Костенко А.И., Ларионов Б.А., Моносзон Н.А., Столов A.M., Трохачев Г.В. Импульсные источники энергии на основе индуктивных накопителей. // Препринт Б-0299, JL: НИИЭФА, 1976. 35 с.

74. Егоров С.А., Костенко А.И., Моносзон Н.А., Тищенко В.А., Трохачев Г.В. Исследования по созданию сверхпроводящих импульсных соленоидов.// Доклады II Всесоюзной конференции по ИПТР, JL: НИИЭФА, 1982, т. II. -с. 199-205.

75. ЕгоровС.А., Костенко А.К, Сидорович Г.В., Трохачев Г.В., Чураков Г.Ф., Корецкий А.Ю., Шмалько Г.И. Токовводы на 10 кА для сверхпроводящих "магнитных систем. // Сер. Электрофизическая аппаратура. М.: Атомиздат, 1982 г., вып.20. с.90-92.

76. Буянов Ю.Л., Фрадков А.Б., Шебалин И.Ю. Токовые вводы для криогенных устройств (Обзор). // ПТЭ, № 4, 1974. -с.5-14.

77. Bauer K., Fink S., Fressinger G., Ulbricht A. The electrical insulation system of a forced flow cooled superconducting (sc) magnet //Cryogenics , Vol. 38, № 11.-p. 1123-1134.

78. Bondarenko V., Egorov S., Lamzin E., Korsunsky V., Rodin I., Voronin N. Components of Thermal and electrical Insulations for the Superconducting Magnet Systems. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 15, No. 2, June 2005. -p.1435-1436.

79. H. Ogata et al. Design of the ITER Central Solenoid (CS) Model Coil // IEEE Transaction on Applied Superconductivity, June 1995, vol.5, No.2. p. 23202323.

80. M. Sugimoto et al. Design of the CS Insert Coil//IEEE Transaction on Applied Superconductivity, June 1995, vol.5, No.2 . -p. 2328-2331.

81. Sytnikov V., Cheverev N., Egorov S., Filatov O., Malkov A., Rodin I. et. al., The production of the superconducting conductor for the TFCI.//IEEE transactions on applied superconductivity March 2002, vol.12 No.l, p. 1207-1210.

82. Sytnikov V.E., Taran A.V., Mitrokhin V.A., Rychagov A.V., Filatov O.G., Egorov S.A. The long-length line for jacketing cable-in-conduit conductors // Fusion Engineering and Design, Vol.45 (1999). p.209-216.

83. Дацков В.И. Технические криогенные термометры на основе серийных резисторов типа ТВО // Препринт/ОИЯИ: 8-83-717, Дубна, 1983.

84. L.T. Summers, M. Guinan et al. A Model for the Prediction of Nb3Sn Critical Current as a Function of Field, Temperature and Radiation Damage//IEEE Transitions on Magnetics, 27(2), March 1991, -p.2041-2044.

85. Сверхпроводящие магниты и устройства. Под. ред. С.Фонера, Б.Шварца. М.: Мир, 1977,-763 с.

86. Лакер X.JI. Сверхпроводимость, накопление энергии и разряд. // В кн.: Накопление и коммутация энергии больших плотностей. Под ред. Бостина У., Нарди В., Цукера О., М.: Мир, 1979. -с232-280.

87. Hassel W.F. Energy storage in superconducting magnetic coils. I I Power syst. space flight. NY-London, Acad. Press, 1963. -461 p.

88. Реймерс A.B., Федотов JI.H., Соколова Г.Н. Индуктивный накопитель энергии из сверхпроводящего сплава. // Электричество, 1969, № 6. -с.81-85.

89. Шафранов В.Р. Об оптимальной форме тороидальных соленоидов. // ЖТФ, 1972, Т. 42, Вып. 9. -с. 1785-1791.

90. Бут ДА., Алиевский Б.Л., Мизюрин С.Р., Васюкевич П.В. Накопители энергии . М.: Энергоатомиздат, 1991.-400 с.

91. Saari P., Mikkonen R. Comparison of availability between 4.2 К and 77 К SMES concept. //IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol. 7 , No. 2, 1997. -p.869-872.

92. Егоров С.А., Костенко А.И. Расчет и анализ параметров магнитной системы сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии в форме круговой катушки.//Препринт Б-0288, Л.: НИИЭФА, 1975. -28 с.

93. Егоров С.А., Костенко А.И. К применению сверхпроводящей круговой катушки с круговым сечением обмотки в качестве магнитной системы индуктивного накопителя энергии. // Препринт Б-0266, JL: НИИЭФА, 1976. -Юс.

94. Егоров С. А., Костенко А.И. Расчет, сравнение и оптимизация магнитных систем сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии с различными геометрическими формами. // Электрофизическая аппаратура, Вып. 14, М.: Атомиздат, 1976, -с. 79-90.

95. Егоров С.А., Костенко А.И. К применению системы из двух сверхпроводящих эллипсоидальных катушек, не имеющей внешнего магнитного поля, в качестве индуктивного накопителя энергии. Часть I. // Препринт Б-0310, Л.: НИИЭФА, 1976. -15 с.

96. Егоров С.А., Костенко А.И. К применению системы из двух сверхпроводящих эллипсоидальных катушек, не имеющей внешнего магнитного поля, в качестве индуктивного накопителя энергии. Часть II. // Препринт Б-0346, Л.: НИИЭФА, 1977. 25 с.1."а'

97. Егоров С.А., Костенко А.И. К применению сверхпроводящих сферических катушек в качестве индуктивных накопителей энергии. // Препринт Б-0329, Л.: НИЭФА: 1977.

98. Егоров С.А. Магнитные системы сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии без внешних полей. // Доклады II Всесоюзной конференции по ИПТР, Л.: НИИЭФА, 1982, т. II. с. 193-198.

99. Егоров С.А., Исакова Т.А., Костенко А.И. Магнитная система индуктивных накопителей без внешних полей. // Доклады III Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, т. И, М.: ЦНИИ Атоминформ, 1984, -с. 114-121.

100. Батищев Р.И. Поисковые методы оптимального проектирования. М.Советское радио, 1975. -216 с.

101. Зангвилл У.И. Нелинейное программирование. Пер. с англ. // М.: Советское радио, 1973, -257 с.

102. Mayhall J.A. The determination of winding stress in a toroidal field coil magnet of optimum shape. // Proc. 6th Symp. on Engineering prob. of Fusion Research, San-Diego, 1975.-p.638-641.

103. Мингалев B.C. Аналитическое решение задачи о форме безмоментной секторной катушки тороидального соленоида. // Препринт ПБ-0240, Л.:НИИЭФА, 1979.-14с.

104. Колядин Н.М., Касабова И.В. Расчет геометрических, электромагнитных и прочностных параметров D-образной тороидальной магнитной системы с учетом реальных особенностей конструкции.//Препринт ИАЭ-3155, М., 1979. -12с.

105. Конев С.М. Магнитная система со сферическими катушками конечной толщины. // Изв. А.Н. СССР, Серия :Энергетика и транспорт, 1980, №4. -с.163-166.

106. Шерстюк А.Г. К вопросу об экранировании магнитного поля осесимметричных индукторов. // Изв. АН СССР, Серия: Энергетика и транспорт, 1980, №4. -с.158-162.