Затухание экранирующих токов, особенности теплообмена и криостабильность сверхпроводящих токонесущих элементов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

На правах рукописи УДК 537.312.62

Щёголев Игорь Олегович

ЗАТУХАНИЕ ЭКРАНИРУЮЩИХ ТОКОВ, ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА И КРИОСТАБИЛЬНОСТЬ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ТОКОНЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 01.04.13 - Электрофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.Б. Зенкевич

Научные консультанты:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник С.С. Иванов

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник A.A. Ахметов

Москва -

1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................3

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.........................................................................................8

1.1. Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии............................................8

1.2. Краткий очерк истории разработки и основные принципы проектирования сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии...........................................9

1.3. Сильноточные проводники для сверхпроводниковых устройств энергетического назначения.................................................................................16

1.4. Российский проект создания сверхпроводящего индуктивного

накопителя энергии СЭН-Э....................................................................................20

1.5. Актуальность основных направлений, исследуемых в диссертации.......................23

ГЛАВА 2. КРИОСГАБИЛЬНОСТЬ ЕДИНИЧНОГО ПРОВОДНИКА ПЛОСКОГО КАБЕЛЯ...............33

2.1. Методика и результаты измерений.......................................................................33

2.2. Критические энергии разрушения сверхпроводимости..........................................39

2.2.1. Обобщенная зависимость для критической энергии разрушения

сверхпроводимости в композитном сверхпроводнике.........................................44

2.3. Восстановление сверхпроводимости в композитном сверхпроводнике..................48

2.4. Особенности результатов эксперимента.........................r******^'1™...................51

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНДУКТИВНОГО МЕТОДА ДЛЯ ИЗУЧЁЙ^Г1^^^ГР>'6в

ЕДИНИЧНОГО ПРОВОДНИКА ПЛОСКОГО КАБЕЛЯ........................1.......................54

3.1. Методика эксперимента........................................................................................54

3.2. Токонесущая способность единичного проводника. Использование полученных результатов для оценки криостабильности проводника.....................57

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ОБМОТКИ НА КРИОСГАБИЛЬНОСТЬ ТОКОНЕСУЩИХ

ЭЛЕМЕНТОВ..........................................................................................................66

4.1. Характеристики проводников и используемая методика.......................................66

4.2. Основные результаты...........................................................................................69

4.2.1. Влияние структуры и толщины изоляции...........................................................69

4.2.2. Влияние каналов охлаждения............................................................................70

4.2.3. Влияние геометрических особенностей структурных элементов обмотки...........74

ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ КИПЕНИЯ АЗОТА НА ПОВЕРХНОСТИ СТАБИЛИЗАТОРА

ПЛОСКОГО КАБЕЛЯ..............................................................................................79

5.1. Моделирование условий теплообмена, характерных для кабеля...........................79

5.2. Характеристики теплообмена................................................................................86

5.2.1. Улучшение теплоотвода в области низких тепловых потоков............................86

5.2.2. Деградация первого кризиса кипения. Режим "скачок с возвратом"..................91

5.3. Заключение к главе 5...........................................................................................98

ГЛАВА 6. ОСОБЕННОСТИ ЗАТУХАНИЯ ЭКРАНИРУЮЩИХ ТОКОВ В ПЛОСКОМ

СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ КАБЕЛЕ...............................................................................100

6.1. Расчетная модель.................................................................................................100

6.2. Спектр собственных частот и его анализ..............................................................102

6.3. Интерпретация и использование полученных результатов...................................108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................115

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................................118

ВВЕДЕНИЕ

Обмотки из сверхпроводящих (СП) токонесущих элементов (ТНЭ) находят широкое применение в устройствах энергетического и исследовательского назначения. Увеличение запасаемой энергии магнитных систем приводит к увеличению размеров ТНЭ [1] и большому разнообразию их конструкций.

В отличие от хорошо изученных единичных композитных сверхпроводников (КС) (см., например, монографии [1-4]), СП многоэлементные проводники (кабели) до настоящего времени исследованы недостаточно подробно, что связано, в частности, со сложностью и неодномерностью протекающих в них процессов. Отсутствие ясного понимания процессов, происходящих в кабеле при изменении тока и/или поля, связано с неравномерным распределением транспортного или индуцированного тока между элементами кабеля в процессе развития диссипативных процессов, а также тем обстоятельством, что во многих СП устройствах поперечные размеры токонесущего элемента нельзя считать пренебрежимы-ми по сравнению с размерами самого устройства. Неразработанность общих теоретических и методических алгоритмов применительно к кабелям из-за уникальности большинства их конструкций является причиной, как правило, только эмпирических оценок параметров криоста-бильности и не позволяет распространить полученные результаты на весь класс многоэлементных проводников. Дополнительную актуальность работы в области исследования СП кабелей различных конструкций получили на рубеже 80/90-х годов с появлением сообщений об особенностях распространения нормальной зоны в сильноточных проводниках [5-9], а также нежелательных побочных эффектах, вызванных воздействием на проводник собственного поля магнита [10-18]. Вопросы теплоотвода применительно к массивным токонесущим элементам с учетом особенностей изоляции и структуры обмотки также представляются малоизученными. Перечисленные обстоятельства приводят к необходимости прово-

дить дорогостоящие крупномасштабные эксперименты.

Таким образом, на сегодняшний день многие особенности развития и протекания тепловых и электрофизических процессов в СП кабелях и их элементах остаются недостаточно изученными и классифицированными, что обусловливает необходимость дальнейших более детальных исследований в этой области.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - экспериментальное исследование параметров криоста-бильности и теплообмена с учетом конструктивных особенностей СП обмоток в композитных сверхпроводниках и плоских кабельных конструкциях на их основе, а также теоретическое изучение затухания индуцированных экранирующих токов в плоском сверхпроводящем кабеле.

В работе проводились измерения:

1. Величины критического тока ниобий-титановых образцов в зависимости от магнитного поля В;

2. Вольт-амперных характеристик ¡7(7) ниобий-титановых образцов КС;

3. Удельного сопротивления р матрицы композита от внешнего магнитного поля В;

4. Тока восстановления сверхпроводимости /г;

5. Тока распространения нормальной зоны 7Р;

6. Критической энергии разрушения сверхпроводимости Ес;

7. Величины плотности теплового потока q от температурного напора АТ=Т-То, где То - температура кипения жидкости (охладителя).

В работе теоретически исследовались процессы затухания экранирующих токов в плоском сверхпроводящем кабеле (ПСК).

Результаты измерений использовались для решения следующих задач:

• изучения характеристик криостабильности и особенностей диссипа-тивных процессов в единичном композите, обусловленных теплоизо-лированностью и неоднородностью внутренней структуры;

• исследования влияния конструктивных особенностей каналов охлаждения обмотки и свойств сетчатой изоляции проводника на уровень криостабильности;

• изучения особенностей кипения азота на поверхности стабилизирующего ложемента плоского кабеля с сетчатой органической изоляцией;

Результаты теоретического исследования использовались для исследования процессов распределения и затухания экранирующих токов, возникающих в кабелях под воздействием переменных магнитных полей.

Полученные в диссертации результаты охватывают широкий круг вопросов, связанных с особенностями тепловых и электромагнитных процессов, протекающих в КС и в токонесущих элементах на их основе.

В работе получены и выносятся автором на защиту следующие научные результаты:

1. Показано, что для КС и токонесущих элементов на их основе с различными свойствами и геометрией наблюдается скейлинговое поведение величины критической энергии ес, качественно описываемое на основе представлений о локальном и импульсном характере теплового возмущения, разрушающего сверхпроводимость в КС. Показана возможность определения минимального тока распространения нормальной зоны /р путем использования линейной экстраполяции зависимости е;2{1).

2. Установлено, что для обмотки из проводника с сетчатой изоляцией, имеющей вертикальные каналы охлаждения, предпочтительно использование покрытий, размер ячейки и толщина которых сопоставимы с отрывным диаметром пузыря охладителя. Показано, что особенности структуры обмотки (щелевые зазоры вблизи внешней поверхности каналов охлаждения) улучшают условия теплоотвода в охладитель и повышают стабильность токонесущего элемента.

3. Получены данные о влиянии структурных особенностей поверхности и сетчатой органической изоляции на характеристики теплообмена между массивным стабилизатором плоского СП кабеля и охладителем. Показано, что для такой поверхности характерны как улучшение теплоотдачи в области малых тепловых потоков, так и наличие переходных процессов, динамика которых определяется условиями теплоот-

вода.

4. Теоретически исследованы процессы затухания экранирующих токов в плоском СП кабеле, понимание которых позволяет выявить особенности воздействия переменного магнитного поля на кабель и связанных с этим потерь энергии. Получен дискретный спектр собственных частот, определяющих темп экспоненциального затухания соответствующих собственных токов в кабеле. Анализ полученного спектра использован для объяснения нежелательных эффектов, обусловленных воздействием на кабель собственного поля магнита.

Полученные в диссертации результаты развивают существующие представления о криостабильности КС с учетом особенностей теплоотво-да, присущих обмоткам из многоэлементных токонесущих элементов в реальных условиях эксплуатации. Материалы диссертации могут найти применение при разработке и конструировании магнитных систем различного назначения, в том числе при проектировании обмоток СП накопителей энергии, а также при решении таких вопросов как оценка уровня стабильности и темпа затухания экранирующих токов, выбор параметров изоляции и оптимальных размеров каналов охлаждения. Данные, полученные по теплообмену, могут быть полезны при проектировании других устройств, использующих в качестве охладителей криогенные жидкости.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы.

В первой главе диссертации представлен краткий обзор литературы, посвященной исследованиям, разработке и основным принципам конструирования обмоток и проводников для СП индуктивных накопителей энергии.

Во второй главе на основе сравнение теории с экспериментом обсуждаются особенности зарождения и динамики нормальной зоны в КС, связанных с теплообменом и неоднородностью внутренней структуры сверхпроводника.

В третьей главе представлены результаты измерения характеристик КС с помощью метода накачки магнитного потока.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального изучения и оптимизации структуры модельной обмотки с точки зрения криостабильности, а также рассмотрены вопросы влияния параметров сетчатой органической изоляции на криостабильность проводника. В пятой главе исследованы особенности кипения азота на поверхности стабилизатора ПСК.

В шестой главе представлены результаты теоретического исследования процессов затухания экранирующих токов в ПСК.

Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на конференциях:

13th International Conference on Magnet Technology (Victoria, 1993); European Conference on Applied Superconductivity (Gottingen, 1993);

• Topical Conference on AC Loss and Stability of Low & High-Tc Superconductors (Enschede, 1998);

XI Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High Temperature Superconductivity (Gottingen, 1998);

• Школах по сверхпроводимости (Протвино, 1997, 1998);

• Конференции по прикладной сверхпроводимости РНЦ «Курчатовский институт» (Москва, 1999).

По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ. Работа выполнена в Отделении прикладной сверхпроводимости Объединенного института высоких температур РАН.

ГЛАВА 1

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Несмотря на все возрастающие масштабы изучения высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), включая аспекты их применения в крупных энергетических и физических устройствах различного назначения [19-24], вопросы исследования технически освоенных низкотемпературных сверхпроводников (НТСП) в этой области продолжают вызывать значительный интерес.

Данная работа выполнялась в рамках проекта "СЭН-Э" по созданию СП накопителя энергии с запасаемой энергией 100 МДж. Этим обстоятельством определялись выбор основных направлений исследований и постановка основных задач диссертации.

Представленный ниже краткий обзор посвящен, таким образом, вопросам крупномасштабного использования НТСП кабелей при создании СП индуктивных накопителей энергии (СПИН).

Следует отметить, что помимо указанного направления, результаты, полученные в главе б, могут представлять интерес при разработке СП обмоток для магнитов ускорителей элементарных частиц.

Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии

С ростом промышленного энергопотребления за последние десятилетия увеличилась неравномерность графиков нагрузки энергосистем и усложнилась проблема регулирования, что вызвало интерес к различного рода накопителям энергии. Накопители должны были стать промежуточным звеном между энергопроизводителями и энергопотребителями, позволяющим устранить необходимость жесткого соответствия генерирования потреблению. Возможность запасать энергию в периоды низкого

потребления и отдавать ее в периоды высокого потребления, выравнивая график нагрузки, делает накопитель средством значительного сокращения расхода топлива.

Среди прочих типов накопителей СПИН выделяется очень высоким к.п.д., составляющим 85-90% [25,26]. Кроме того, специфическими особенностями СПИН являются требования к их расположению и сооружению, а также зависимость стоимости накопителя от размера установки. Последний фактор характеризуется тем, что для заданной базовой конструкции стоимость СПИН примерно пропорциональна площади поверхности установки и требуемому количеству сверхпроводника. Стоимость единицы накопленной энергии (в МДж или кВт-ч) с ростом накопительной емкости падает [25]. К выбору места расположения даже крупные СПИН не предъявляют высоких требований и могут быть построены практически везде, в частности, вблизи наиболее крупных потребителей.

Следует отметить, что как запитка, так и вывод энергии из накопителя осуществляются с помощью одного и того же устройства (многофазного преобразователя мостового типа), что позволяет СПИН реагировать на изменение нагрузки за доли секунды. За это время СПИН способен переключиться с режима максимальной скорости зарядки в режим максимума отдаваемой мощности. Талсой быстрый отклик дает возможность использовать СП установку суточного накопления энергии в качестве быстродействующего резерва мощности, а также для повышения стабильности энергосистем.

"1.2.--

Краткий очерк истории разработки и основные принципы проектирования сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии

Развитие технологии аккумулирования энергии в индукционных катушках тесно связано с развитием технической сверхпроводимости. В 1969 г. М. Кегпег (Франция) предложил проект СП накопителей энергии

для компании Electricite de France [27]. Исходная его идея состояла в сооружении единой большой системы СПИН в центре Франции, которая обеспечила бы покрытие основных периодических нагрузок в энергосистеме страны. Обмотка для этой системы предполагалась в форме тора, который, как и в экспериментальных плазменных установках [28], заключал бы практически все магнитное поле внутри тороидальной оболочки, образованной сверхпроводником. Однако далее эскизного проектирования работы не пошли, поскольку было высказано заключение, что капитальные затраты на сооружение и расходы на разработку столь велики, что реально удалось бы создать всего лишь одну или несколько установок.

В 1971 г. в Висконсинском университете была начата программа по оценке вариантов СПИН, которую возглавили R.W. Boom и Н.А. Peterson. Было подробно исследовано взаимодействие накопительной установки с энергосистемой, осуществляемое через многофазный мостовой п