?

Log in

Previous Entry | Next Entry

Практически любая научно-популярная статья про токамак начинается с объяснения на пальцах идеи “магнитной бутылки для плазмы”. Некоторые, особо настырные журналисты, доходят и до изложения важной мысли, что мощность термоядерного горения очень быстро (как четвертая степень величины) увеличивается с напряженностью магнитного поля и как квадрат размеров вакуумной камеры. Из этого следует, что токамакам нужны самые мощные и большие магниты. Настолько большие и мощные, что когда физики показывают их параметры инженерам, последние крутят пальцами у виска.

Оперируя сухими цифрами, очень сложно передать ощущение инженеров. Но давайте возьмем один из ключевых магнитов ИТЭР - катушку тороидального поля. 134 витка провода с током в 68 тысяч ампер создают поле, которое способно удерживать в воздухе, например, вот такой кораблик.

...весом в 30 тысяч тонн. Ну или еще одно сравнение - энергии, запасенная в магнитной системе ИТЭР, хватило бы для питания типичной российской квартиры в течении 6,5 лет (всего 12 тонн бензина, если кому интересно).

А вот и сама катушка - на этом рендере она синяя.

Однако вернемся в суровые инженерные будни. Магниты ИТЭР превосходят по запасаемой энергии предыдущих рекордсменов (кстати, это был Большой Адронный Коллайдер длинной 27 километров) в 5 раз, а по совокупной технической сложности пожалуй что раз эдак в 50. Проблематикой является так же то, что кроме задачи разработать магнит, лежащий далеко за пределами сделанного на сегодняшний день, во весь рост стояла и задача его изготовить - в промышленности просто не было многих необходимых техпроцессов или они были освоены в лабораторных масштабах. В итоге, магнитная система потребовала 15 лет разработок, исследований, строительства промышленности. Она обойдется в почти 20% от общей стоимости реактора.

Однако факт, что сегодня магниты ИТЭР являются самым далеко зашедшим в производстве компонентом токамака - построены десятки производственных объектов по всему миру, изготовлены сотни тонн компонентов магнитной системы. Обратной (хотя приятной) стороной этого является гигантский объем информации, как по технологиям и разработкам, так и по промышленному воплощению их, поэтому я разобью статью на две части.

Начнем, пожалуй, с рассказа о том, что такое сверхпроводимость и почему она используется для магнитов ИТЭР. Итак, еще в 1911 году было обнаружено свойство некоторых металлов при глубоком охлаждении терять электрическое сопротивление. Такое состояние теоретически позволяет создавать “бесплатные”, не затрачивающие энергию мощные магниты просто наматывая витки сверхпроводящего материала в катушку и создавая в нем “вечный” ток. В реальности, сверхпроводящее состояние многих материалов исчезает в сильном магнитном поле и/или при пропускании сильного тока. На наше счастье, в 60-х были открыты сверхпроводники на базе металла ниобия, которые сохраняли нулевое сопротивление в довольно сильных полях и токах. Эти соединения - ниобат титана NbTi, работающий до полей 6-7 Тесла и станнид ниобия Nb3Sn позволяющий создавать поля до 14-15 Тесла. Для сравнения, в классической медной катушке технически крайне сложно создать поле выше 1,5-2 Тесла, и давление такого поля оказывается в 100 раз меньше, чем у 15-ти теслового (давление магнитного поля зависит от его напряженности как квадрат). Сегодня, кстати, есть еще более высокопольные и крутые высокотемпературные сверхпроводники типа YCBO и Bi-2223.

Сверхпроводяший и медный кабель на одинаковый ток. Причем медный на такой ток тоже приходится охлаждать.

Ниобиевые сверхпроводники открыли возможности по созданию принципиально новой электротехники. Почему же мы не видим их нигде, кроме как в уникальных научных установках, которые “за ценой не постоят”? Тому есть три причины.

Во-первых, как и все известные в 60х сверхпроводники, ниобиевые требуют для работы температур жидкого гелия, а если можно - то и ниже. Сказать, что такое охлаждение не дешево - ничего не сказать, на каждый джоуль притекшего к нашему магниту извне или изнутри тепла мы вынуждены будем потратить от 250 до 500 джоулей на работу нашей холодильной установки.

Во-вторых соединения ниобия оказались довольно хрупкими веществами, и если титанат ниобия чем-то похож на стекло, и может быть использован в проводнике в виде пучка очень тонких волокон в матрице (например медной), то любые попытки изготовить какие-то гибкие волокна из Nb3Sn потерпели неудачу. Для получения сверхпроводника из этого материала используют следующую технологию: кабель собирается из нитей меди, олова и ниобия, наматывается в форме будущего магнита, затем нагревается до 650 градусов и в нем происходит химическая реакция с образованием Nb3Sn. После этого такой кабель практически нельзя изгибать, что бы не допустить разрушения филаментов этого хрупкого материала. О запредельной нетехнологичности таких магнитов можно догадываться.

Ну и последним аспектом стало то, что большие магнитные поля несут с собой большие механические напряжения связанные с силой Ампера между витками проводника и силой Лоренца между проводником и объектом применения магнитного поля. При этом хрупкость сверхпроводника означает его разрушение под влиянием циклических перемещений. Фактически получалось так, что это не позволило проектировать магниты так же, как и медные.

Электротехническая промышленность довольно быстро перевела сверхпроводниковые машины (двигатели, трансформаторы, генераторы, магниты) в область “прекрасного далека”, и только запросы от науки позволили постепенно понять, как решать вышеописанные задачи. Сверхпроводящие системы оказались высокотехнологичной, почти космической отраслью, а магниты для ИТЭР - своеобразным “полетом на Марс” для этой отрасли.


Давайте посмотрим на магнитную систему ITER поближе и разберемся, откуда берутся такие сложности. Магнитную систему токамака можно разделить на следующие составляющие:

Зоопарк ИТЭРовских катушек. Человек, к сожалению, для масштаба не нарисован, но размер системы в сборе - 25 x 17 метров.


1. 18 вертикально расположенных катушек тороидального поля TF и 6 горизонтально катушек полоидального поля PF создают магнитную “авоську” для удержания плазмы

2. Центральный соленоид CS создает изменяющееся магнитное поле, наводящее в плазме ток, которым она взаимодействует с магнитным полем из пункта 1 и это необходимый элемент системы магнитного удержания.
3. 18 корректирующих катушек
CC - относительно слаботочные катушки, используемые для выравнивания ошибок поля основных катушек и для управления положением плазмы внутри токамака

4. 31 токовый фидер, передающие ток с внешних “теплых” шин, по высокотермпературной сверхпроводящей линии на криогенные проводники катушек.

Итак, начем с более простых элементов на базе NbTi. Это хорошо исследованный, относительно широко используемый и не очень дорогой сверхпроводник. Обычно он используется в виде провода, состоящего их тончайших нитий титаната ниобия в медной или алюминиевой матрице, причем в лучших образцах провода получается до 10 тысяч нитей в проводнике диаметром ~1 мм. Такой провод способен пропустить без потерь до 500 ампер. Для получения такого, фактически нанокомпозита используется довольно изощренная технология

Продукт 40 летней работы технологов. А вот здесь сборка перед волочением, еще.

Стоимость такого провода на рынке составляет порядка 500 долларов за килограмм, однако если бы не вопрос охлаждения до экстремальных температур, то такой проводник по затратам был бы вполне конкурентен с медью! Для иэтровских магнитов такие стрэнды являются базисом. В принципе из них можно было бы набрать целиком магнит, и залить его целиком в жидкий гелий, если бы не два но: магнитные силы порвут проводник, если дать возможность ему свободно перемещаться, и сложно совместить необходимость изоляции отдельных стрендов и их хорошее охлаждение.

Поэтому для крупных магнитов используется концепция кабеля-проводника. Сверхпроводящие проволочки последовательно скручивают в все более укрупняющие сборки, пока не получится кабель, состоящий из нескольких сотен стрэндов. В центре кабеля располагается канал для прокачки жидкого гелия, между проводниками тоже оставлено пустое пространство, что бы хладогент мог спокойно обтекать каждый стрэнд. Снаружи кабель упакован (или джекетирован) в силовую оболочку из нержавеющей стали, которая снимает напряжение с сверхпроводника и герметизирует канал жидкого гелия. Поскольку усилия на единичный кабель могут достигать десятков тонн, то используется весьма толстостенная оболочка - и это очередная технологическая сложность на пути создания магнитов ИТЭР. Размер получаемого проводника примерно 40х40 мм, и при температуре 4,5 К он способен нести ток в 50 килоампер и создавать поле до 6,5 Т.

Так сматывают российский сверхпроводник на итальянской линии.

Срезы стренда (слева) и кабеля PF на базе таких стрендов.


Кстати. задумайтесь о том, как собирается кабель в толстой стальной оболочке - вам нужно собрать прямую стальную трубу, затянуть туда тросом его внутренность и обжать на стане трубу вокруг кабеля, что бы они плотно соединились. При этом, если в вас кабель длиной 800 метров, то вам нужна линия для затягивания кабеля длинной 800 метров! Затем нужно смотать этот кабель на специальном трубогибном станке на шпульку. Для производства кабелей ИТЭР пришлось создать 5 таких линий, в т.ч. одну в России, о чем я подробнее расскажу в следующей части.

Конструкция проводника для катушек TF


После того, как мы произвели необходимое количество кабеля (для магнитов ИТЭР надо, например, почти 200 км кабеля-проводника) его необходимо намотать в соленоида — многослойной катушки. PF катушки ИТЭР будут иметь сечение примерно 1х1 метр, навиваться из 250-350 витков кабеля. Для самой маленькой катушки PF1, производство которой стартует в июне на мощностях Средне-Невского Судостроительного завода в Питере потребуется 16 длин по ~450 метров, которые будут укладываться в двухслойные “блины”. Оборудование навивки довольно сложное - нужно синхронно вращать стол, изгибать кабель автоматизированным трубогибом так, что бы он ложился в нужное место и еще попутно обматывать кабель изоляцией.

Собранная PF1. Штуки по бокам - это соединения отдельных слоев катушки межту собой.

Намоточный стол. Синхронно работает 2 размотчика, 2 трубогиба, стол и изолирующие головки.

А так это выглядит в реальности - испытания оборудования, февраль 2015 года.

Кстати, изоляция - еще один технологический моментик. Межвитковое напряжение в PF может достигать киловольта, а «межблиновое» - 5 киловольт. При этом изоляция должна проработать 30 лет в условиях термо- и механического циклирования, вакуума и радиации. По результатам испытаний для всех сверхпроводящих кабелей была выбрана намотка чередующимися слоями стекловолокна и полиамида, с последующей пропиткой стекловолокна эпоксидной смолой. После того, как мы собрали двухслойный блин, его надо дополнительно обмотать стекловолокном (это нужно как для изоляции, так и для стабилизации и укрепления) и пропитать смолой - это делается в специальной вакуумной камере, что бы в изоляции не осталось пузырьков воздуха.

Отработочный макет для изоляции и вакуумной пропитки.

8 таких блинов складываются в 16-слойную катушку - после чего будут выполнены соединения сверхпроводящего кабеля (кстати, еще один довольно высокотехнологичный элемент) в единую электрическую систему, на катушку установят силовые элементы и множество трубок для прокачки охлаждающего гелия. В 2017 году 200 тонный магнит будет погружен на баржу и отправится в Карадаш.

Причем баржа уже давно готова.

Однако PF1 диаметром 9 метров - самая маленькая катушка из 6 магнитов полоидального поля. Она и катушка PF6, строительство линии намотки которой началась несколько месяцев назад в Китае, будут производится как и остальные компоненты ITER где-то далеко от Карадаша, однако для катушек PF2 - PF5 такой фокус не возможен - их диаметры в 18 и 25 метров слишком велики для доставки. Поэтому на площадке ИТЭР был возведен завод для намотки и сборки этих 4 катушек. Размер линии - 250х40 метров, и как не странно, это было первое здание на площадке, законченное еще в 2012 году. Однако благодоря европейским бюрократам и сокращению бюджета - производство критически важной PF5 (без которой невозможно начать сборку тороидальной части ИТЭР, см) начнется не раньше чем в конце 2016 года. Впрочем, благодаря им же, строительство зданий токамака все равно не закончится раньше конца 2018 года, так что катушка может поспеть вовремя. В целом же, все PF будут производится по примерно одинаковой технологии, различаясь лишь слегка количеством меди в кабеле и размерами.

По планам 2009 года, здесь кипит производство катушек полоидального поля.

Что ж, в следующей серии мы поговорим о еще более грандиозных сильнопольных магнитах систем тороидального поля и центрального соленоида.

Comments

( 20 comments — Leave a comment )
lx_photos
Apr. 27th, 2015 07:46 pm (UTC)
Офигенно.
Большое спасибо.
tr1gger
Apr. 28th, 2015 05:48 am (UTC)
Интересно.
И ещё -- а почему вы всегда пишете "чтобы" -- раздельно, "несмотря" -- раздельно, "длина" -- с двумя буквами н?
tnenergy
Apr. 28th, 2015 06:33 am (UTC)
Вообще грамматика (да и пунктуация) моя ужасна :(, где пасует спеллчекер, начинаются проблемы. Поскольку этот блог как-то начал становится популярным, то уже появились люди, которые предложили вычитывать текст, так что я надеюсь, что со временем все ошибки уйдут.
tr1gger
Apr. 28th, 2015 07:33 am (UTC)
:)
У меня с детства был хороший спеллчекер. Никогда ничего не учил, просто читал много книг. Да и вообще, не видел ни одного человека который бы правильно писал по правилам, зато видел тех, кто как и я, просто много читал. Но это персонально наверно.

А пунктуации не существует :) Все писатели ставят запятые как им нравится, а потом лингвисты пытаются придумать под это правила. Я ставлю запятые там, где в разговоре была бы пауза, и всегда выходит хорошо.
diler_gu
May. 3rd, 2015 07:45 pm (UTC)
Величина магнитного поля
Не считаю себя знатоком астрофизики и космологии, просто этим интересуюсь.
Поэтому попытаюсь корректно сформулировать вопрос.
Где то прочитал, что величина магнитного поля земли по поверхности колеблется от 4 до 60 микроТесла.
Поле от одной D катушки в 15 Тесла, просто огромно. Понятно, что оно концентрировано в сравнительно малом объеме, но все-же.
Кто-то из ученых задумывался как такое поле может влиять на пространство-время (по Эйнштейну).
Искривит ли такое поле, хоть и в малом объеме, в итоге время?
Может ли такое поле повлиять на результат экспериментов, с точки зрения искривления пространства - времени?
Может они попутно с токомаком машину времени сварганят, как побочный продукт :)
tnenergy
May. 3rd, 2015 08:04 pm (UTC)
Re: Величина магнитного поля
>Кто-то из ученых задумывался как такое поле может влиять на пространство-время (по Эйнштейну).
>Искривит ли такое поле, хоть и в малом объеме, в итоге время?

Я думаю, задумывался, и ответ, нет, не искривит. В нейтронных звездах встречаются поля в 10^11 Тесла, но все равно энергосодержания такого поля не хватает, что бы что-то делать с пространством (зато с материей - все что угодно).

>Может они попутно с токомаком машину времени сварганят, как побочный продукт :)

Нет, все же здесь вряд ли возможны какие-то побочные эффекты. БАК в этом плане искривляет пространство заметно сильнее своими протонами, но он все равно крайне далек от возможностей природы.
nick_55
May. 8th, 2015 09:18 pm (UTC)
Очень прошу меня простить, но ниобий-титан не слишком похож на стекло и довольно прилично тянется. А вот ниобий-олово - да, очень хрупкий материал. И поправка - 650 градусов для образования Nb3Sn заведомо не хватит - нужно 750 - 800 и 48 часов времени. Из плющенного и отожженного на барабанах ниобий-оловянного проводника 4х0,4 мм обмотки мотать можно - мин. радиус 30 мм. Точно так же можно мотать из отожженного транспонированного кабеля, особенно, если добавить нержавеющие жилы. Такой проводник ВННИКП сделал уже в 1986.
Да, и основная технология получения ниобий-оловянных проводников с начала 70-х - "бронзовая", то есть волокна чистого ниобия помещаются в матрицу из оловянистой бронзы , и при высокотемпературном отжиге идет реакция с образованием соединения Nb3Sn. Чистый ниобий хорошо тянется, поэтому можно дотягивать даже до 0,5 мм. И если магнит не очень большой,то его можно намотать до отжига, а потом отжечь - только изоляция и все детали каркаса должны выдерживать 800 градусов, а печи соотв. размера и с соотв. вакуумом были в 9 и УМЗ уже в конце 70-х.. Так сделаны все НО лабораторные соленоиды в РНЦ КИ. Конечно, ИТЭРовскую обмотку так сделать нельзя, поэтому нужны многожильные транспонированные проводники.
tnenergy
May. 9th, 2015 08:47 am (UTC)
Не надо извиняться, наоборот, я всегда предупреждаю, что я не специалист, а это все хобби.

>Очень прошу меня простить, но ниобий-титан не слишком похож на стекло и довольно прилично тянется.

Ага. Я пользовался выражением Guenter'a Janeschitz'a - техдиректора ИТЭР. Видимо он слегка преувеличил :)

>И поправка - 650 градусов для образования Nb3Sn заведомо не хватит - нужно 750 - 800 и 48 часов времени.

Две цитаты из презентаций ИТЭРовцев: "then shaped into the 12m x 9m double pancake and heat treated at over 650°C in a specially constructed inert atmosphere oven.". Митчел: "Nb3Sn required, brittle and has to be formed after winding
by heat treatment of about 600C for 200hrs"

>Из плющенного и отожженного на барабанах ниобий-оловянного проводника 4х0,4 мм обмотки мотать можно - мин. радиус 30 мм.

Вот здесь моих знаний точно не хватает, почему в ИТЭР допускаются радиусы изгиба прореагировавшего кабеля в десятки метров Единственное - может значения Jc упадут?

nick_55
May. 10th, 2015 07:44 am (UTC)
В первую очередь, с прошедшим Днем Победы.

Как Вы легко догаетесь, на абсолютную истину я не претендую. Просто в 70-е - 80-е цифра 750 - 800 градусов была настолько привычной, что даже на конференции 2011 никто не задал вопрос о новой температуре А.К. Шикову после его пленарного доклада. Значит, теперь изменили состав бронзы - наверняка увеличили долю олова и, как Вы сами указываете, увеличили время отжига до 200 часов против прежних 48. Ну и печи стали строить еще большего объема, поэтому можно использовать метод "намотка-отжиг".

На Ваш вопрос Вы сами и ответили, только в других частях Вашего рассказа - потому что требуются обмотки именно такой конфигурации и данного размера. Обмотка, где плющенка 4х0,4 гнулась на 30 мм - это модельный рейстрек (длина уменьшена в 4 раза, у полномасштабной обмотки она должна быть1 м, а наша была ок. 250 мм) для системы возбуждения электрической машины постоянного тока. Но там речь шла о токах порядка 1 кА и полях ок. 2.3 Т. И при том, что на испытаниях эта обмотка выдержала скорости ввода свыше 1000 А/с, такой проводник для магнитных ловушек и, тем более, для центрального соленоида токамака совершенно не годится - хотя бы из-за потерь плюс совершенно иной уровень пондеромоторных сил в обмотке, плюс технологии компаундирования, которые для метровых обмоток еще подойдут, а для масштабов токамаков - вряд ли. По всем известным причинам 10 МВт двигатель так и не был построен.

Ну и еще маленькое дополнение - строить какие-либо магниты из высокотемпературных сверхпроводников 1-го поколения (висмутовых) и 2-го (иттриевая керамика) можно только, если эти магниты потом охлаждать жидким или газообразным гелием. При азоте - да, сверхпроводят и пропускают довольно приличные транспортные токи - например, российская лента 12х0,1 порядка 300 А. Но при азоте критические поля, особенно у лент первого поколения, крайне низкие, поэтому магнит на сколь-нибудь значительное поле, ради которого стоит использовать сверхпроводимость, сделать вряд ли получится. Основная сфера применения этих лент - охлаждаемые азотом ВТСП кабели для энергосистем. Кроме того, ВТСП ленты, в первую очередь 2- го поколения, по крайней мере при азотных температуррах, обладают крайне низкой скоростью распространения нормальной зоны - мм/с против километров в секунду у ниобий-титана. Это значит, что при сколь-нибудь значительном возмущении локальный перегрев может быть таким, что лента просто сгорит на очень маленьком участке - ее "разрежет как ножом". И это прекрасно себе наблюдается даже в экспериментах, где одиночный проводник хорошо охлаждается со всех сторон, а что будет в обмотке, где условия охлаждения совсем иные?
tnenergy
May. 10th, 2015 09:33 am (UTC)
>В первую очередь, с прошедшим Днем Победы.

Взаимно!

>Ну и печи стали строить еще большего объема, поэтому можно использовать метод "намотка-отжиг".

Да, тут я уже знаю по своей специализации, что теперь температурное поле в таких печах можно контролировать гораздо лучше, чем 30 лет назад. Видимо сумма требований и технологий поменяли ситуацию.

>По всем известным причинам 10 МВт двигатель так и не был построен.

Интересный проект, хотя я не очень верю, что когда-нибудь появятся охлаждаемые жидким гелием промышленные двигатели. А нет у вас каких-нибудь ссылок на журналы/статьи про этот двигатель?

>Ну и еще маленькое дополнение - строить какие-либо магниты из высокотемпературных сверхпроводников 1-го поколения (висмутовых) и 2-го (иттриевая керамика) можно только, если эти магниты потом охлаждать жидким или газообразным гелием. При азоте - да, сверхпроводят и пропускают довольно приличные транспортные токи - например, российская лента 12х0,1 порядка 300 А. Но при азоте критические поля, особенно у лент первого поколения, крайне низкие, поэтому магнит на сколь-нибудь значительное поле, ради которого стоит использовать сверхпроводимость, сделать вряд ли получится.

Да, я это знаю. Как я понимаю, в том же ИТЭРе даже токовые шины остались на НТСП потому что идут в районе полей в несколько тесла.

>Кроме того, ВТСП ленты, в первую очередь 2- го поколения, по крайней мере при азотных температуррах, обладают крайне низкой скоростью распространения нормальной зоны - мм/с против километров в секунду у ниобий-титана. Это значит, что при сколь-нибудь значительном возмущении локальный перегрев может быть таким, что лента просто сгорит на очень маленьком участке - ее "разрежет как ножом". И это прекрасно себе наблюдается даже в экспериментах, где одиночный проводник хорошо охлаждается со всех сторон, а что будет в обмотке, где условия охлаждения совсем иные?

Надо же, не знал. А как при "километрах в секунду" умудряются не сжечь тороидальные катушки ИТЭР, в которых планируется 2,4 Гигаджоуля запасенной энергии и постоянная вывода тока - 11 секунд? Или это за счет того, что соседние с потерявшим СП состояние стренды будут нагреваться достаточно долго?
nick_55
May. 10th, 2015 12:15 pm (UTC)
1. Тогда такие печи были только вакуумные, и самая первая из них в Усть-Каменогорске называлась ПВВ-500. Потом эту и другие печи еще большего объема построили и в "Девятке". В Вашем рассказе не отражен - и это, разумеется, ни в коем случае НЕ претензия! - еще один технологический момент. Дело в том, что, в отличие от ниобий-титановых, ниобий-оловянные провода (за исключением названной выше плющенки) можно изолировать только высокотемпературной изоляцией, самым дешевым и доступным видом которой является стеклоткань. Но стеклоткань всегда выпускается пропитанной парафином, иначе она будет рассыпаться и ломаться, и работать с ней будет невозможно. Но при отжиге обмоток, начиная с температур где-то 200 - 400 градусов, парафин начинает интенсивно выделяться из ткани, при этом вакуум ухудшается, и получить необходимые минимальные градиенты температуры не удается. Поэтому перед основным отжигом обмотку всегда подвергают дегазационному отжигу - в нашем случае это было 500 градусов/24 часа в вакуумной печи с очень большой азотной ловушкой (иначе диффузионник сгорит, а турбомолекулярный насос может тоже испортиться). Такая печь была в 70-е - 80-е в ОКБ КП в Мытищах. Но в новой печи, о которой Вы рассказываете, эти два режима, наверное, можно объединить - сначала провести дегазацию при более низкой температуре, а потом пустить аргон и начинать основной отжиг.

2. Такие машины - разумеется, экспериментальные - создавались в СССР во ВНИИЭлектромаше под руководством И.А. Глебова, В.Н. Шахтарина и др. (Ленинград), во ВНИИ завода "Электротяжмаш" в Харькове, во ВНИИЭлектромеханики в Москве (я там и работал до 1986, пока не ушел в свой нынешний институт РАН) и даже в тогдашнем ИАЭ под руководством В.Е. Кейлина.
Ссылок на нашу машину с ХЭТМом дать не могу, а вот назвать книгу о других машинах - пожалуйста, "Криогенные электрические машины", под. ред. Н.Н. Шереметьевского, М. Энергоатомиздат, 1980. Испытания нашей обмотки из "плющенки" описаны в одном из сборников трудов ВНИИЭМ начала 80-х (номер вспомню позже) и в статье в журнале "Электричество" в одном из номеров за 1983 (тоже данные позже), авторы А.М. Рубинраут, А.С. Веселовский - и др. Перспективны ли такие машины сейчас, и стоит ли их строить - вопрос сложный. Но машины с НТСП позволяют создать поля возбуждения существенно выше полей насыщения электротехнической стали (1,6, в самом лучшем случае - 2 тесла), поэтому такие машины можно делать вообще без магнитопроводов. Кроме того, как известно, мощность машины пропорциональна квадрату поля возбуждения, поэтому в одном агрегате можно получить мощность, недоступную для машин обычного исполнения. Так что при всей дороговизне гелия и сложности гелиевых криогенных систем вопрос о дальнейшей судьбе таких машин остается открытым и, ИМХО, крест на них ставить рано.

3. Скорость распространения НЗ км/сек - это самая большая из известных. Для нормальной работы магнита из ниобий-олова достаточно куда меньших скоростей, которое все равно намного больше, чем у ВТСП, кроме того за счет того, что ниобий "лучше тянется", число волокон в матрице можно сделать больше, а сами волокна - тоньше, исключив тем самым скачки потока, а значит, одну из причин неустойчивости сверхпроводника, заодно и гистерезисные потери уменьшим. Бронзовая матрица обладает большим сопротивлением, чем медная, значит, и кооперативные или матричные потери будут ниже. Добавив в композитный кабель медные жилы, мы увеличиваем его прочность и, одновременно, стабизилизируем в тепловом отношении, добавляем нормальный металл, который будет способствовать быстрому "рассасыванию" "перегретого" участка. Все это в сумме и дает наши кА/сек на тех обмотках и те скорости вывода энергии, о которых Вы говорите.
Кроме того, еще в 1984 В.С. Высоцким было показано, что, по крайней мере, силовые полупроводниковые диоды ( В-200 и ВВ-500) прекрасно себе работают в жидком гелии с соотв. более чем 3- кратным увеличением рабочего тока и вполне могут использоваться для защиты магнитов не вне, как обычно, а прямо в криостате. Соответственно, какие угодно обмотки можно будет дополнительно защитить параллельными ветвями таких вентилей, причем штатные радиаторы уже не нужны. Применяется ли такой способ для именно защиты СМС ИТЭР мне, разумеется, сказать трудно.
tnenergy
May. 10th, 2015 06:57 pm (UTC)
1. Очень интересно, спасибо. ИТЭРовцы тут тоже пошли по другому пути - они вынуждены использовать не сухую стеклоткань, а стеклокомпозит с подслоем каптона. Поэтому до печи Nb3Sn проводники не мотают лентой - делают это после, уже вокруг прореагировавшего кабеля. У них там крутая роботизированная система которая ходит вдоль кабеля, слегка его вытаскивая из силовых элементов и заматывая его в изоляцию, после чего выполняется пропитка. Подозреваю, что здесь сказываются высоковакуумные требования (стеклоткань с воздухом будет долго течь в вакуум) + передача очень значительных величин сил Лоренца на механическую структуру магнитов + требования по изоляции до 30 киловольт.

2015 05 10 21 54 27 Скриншот экрана

2. Понятно, пойду почитаю. В программе Росатома по сверхпроводникам видел фотографии рейстреков из лент СуперОкса для генератора на 50 что ли кВт. Вообще все производители, в т.ч. ВТСП-2 связывают свое будущее с морскими электродвигателями на 10...30 мегаватт и генераторами для ветрогенераторов, где важен вес.

3. Спасибо за информацию. Силовые диоды, как байпас тока при квенче используется в БАК, в ИТЭР этого нет, тут используется механическая коммутация и сброс тока на резисторы. Я писал более подробно здесь.
nick_55
May. 10th, 2015 07:54 pm (UTC)
1. Начнем с конца - резисторы уже видел. И понятно, почему здесь их предпочли - у диода в открытом состоянии сопротивление очень низкое, тем более в гелии, поэтому магнит будет разряжаться долго. А здесь, по-видимому твердо установленное время разряда, отсюда и изоляция на 30 кВ. С ниобий-титановыми кабелями ВНИИКП -19 МН, 49 МН с изоляцией было проще - сначала обкручивают тефлоном, потом лавсаном оплетают - и держит минимум 60 кВ, на собственном импульсном соленоиде проверено.

2. Только перескочим на Ваш п.1.) Разумеется, я не собираюсь критиковать принятые командой ИТЭР технические решения, но, ИМХО, прежний опыт создания ВНИИКП отожженного транспонированного усиленного ниобий-оловянного кабеля вполне можно было бы использовать, тем более, что прототип такого кабеля, как мы говорили раньше, был уже в 1986. И тогда уже отоженный кабель вполне можно было изолировать , как в моем пункте 1 и не связываться со стеклухой и каптоном. Тем более, ВНИИКП - активный участник проекта ИТЭР и руководит ими тот же В.С. Высоцкий. Правда, в 1986 он еще в ФИАНе работал.

3. Ваш пункт 2. Вот здесь лучше только в личку. А в открытую пока замечу, что пока не будет решена проблема стабильности ВТСП лент, ни о каких магнитах, тем более в электрических машинах говорить не приходится. Можно хоть какой сверхпроводник создать, но если пренебречь условиями теплообмена, минимальными токами распространения и существования нормальной фазы, ВАХ, а для ВТСП - и показателями степени ВАХ - ничего не будет. Об этом очень давно написали в книжке "Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем" (авторы - В.А. Альтов, В.Б. Зенкевич, М.Г. Кремлев, В.В. Сычев), которую в 2008 переиздали в 3-й раз.
Насчет судовых криоэлектродвигателей очень хорошо понимающий в морском деле и отслуживший в ВМФ товарищ bf_heavy высказывал в моем прошлом ЖЖ очень серьезные сомнения по этому поводу, и трудно было не согласиться. А с другой стороны - возможности, конечно, открываются огромные. Насчет ветрогенераторов - если это уровень 200 кВт , то в той же первой половине 80-х названный Вам А.М. Рубинраут предложил проект генератора на постоянных магнитах как раз на 200 кВт. Конечно, за счет магниопровода он весил больше, чем сверхпроводящий эквивалент с ниобий-оловянным ротором и..стеклотекстолитовым статором. Но никакой криогеники и гелия, и никакого возбудителя, и никаких контактных колец. То есть, там, где не нужна форсировка и регулировка возбуждения машины, такой вариант оказывается оптимальным. А ведь тогда постоянных магнитов из Fe-Nd-B еще не было. Поэтому, ИМХО, конечно, сверхпроводящая и ВТСП машина "нужна там, где нужна", то есть на тех уровнях мощности или для создания таких моментов, где из обычного исполнения уже ничего не выжмешь. А до этого надо очень хорошо подумать. Можно, конечно, сделать, как японцы, автомобиль с ВТСП двигателями по мотор-колесной схеме, только вот стоить он будет как стадо обычных.
А вот в Вашей сфере деятельности СП магниты как раз безусловно и крайне необходимы, и ничего иного вместо них предложить нельзя.
ya_veteran
Jun. 27th, 2016 04:18 pm (UTC)
Уважаемые nick_55 и tnenergy! Только сегодня обнаружил (по наводке моего аспиранта) этот блог и с удовольствием начал читать. Поскольку ваш покорный слуга занимается прикладной сверхпроводимостью 46 лет, а последние 7 лет руководил именно российским производством ниобий-титановых кабелей для PF1/PF6 и проводников в оболочке для тороидальных катушек. И задачу эту мы выполнили с большим успехом, в результате чего больше не имеем тех денег что были отпущены нам на ИТЭР. Но это Бог с ним.

Описываете вы в общем все довольно достоверно и правильно за исключением нескольких мелких неточностей. Некоторые поправил nick_55 - ниобий титан - это довольно пластичный сплав, рабочая лошадка прикладной сверхпроводимости. Ниобий - олово хрупкое соединение которое, в нашем случае (российский сп-к разработки ВНИИНМ и производства ЧМЗ) становится сп-м после отжига при 650 С в течение 100-200 часов. Ну и так далее, если нужны детали - пишите в личку, мы много интересного знаем. :-) Например, что российские TF проводники показывают лучшие в мире результаты при испытаниях.

Да, и строится ИТЭР не совсем в КаДАраше (там находится институт французского комиссариата по атомной энергии и, кстати, очень неплохой токамак ТорСупра), а рядом в поселении лез Сен Дюранс. Но мы все по старой памяти называем это Кадарашем.

А вообще спасибо за блог, а понадобятся уточнения - я к вашим услугам! Кстати в фильме, что вы упомянули во второй части и моя борода мелькнула :-)

Удачи всяческой!


nick_55
Jun. 27th, 2016 05:38 pm (UTC)
Спасибо, посмотрим, что Вам хозяин журнала ответит. Он рассказывает о проблеме в целом, а не только о сверхпроводящей части, поэтому было бы правильнее дождаться сначала его ответа.

В 70-е, как Вы сами хорошо знаете, температуры отжига были другие - 750 - 800 градусов для тогдашних СКНО и МКНО.
tnenergy
Jun. 28th, 2016 07:47 am (UTC)
Добрый день, ув. ya_veteran.

>а последние 7 лет руководил именно российским производством ниобий-титановых кабелей для PF1/PF6 и проводников в оболочке для тороидальных катушек. И задачу эту мы выполнили с большим успехом, в результате чего больше не имеем тех денег что были отпущены нам на ИТЭР. Но это Бог с ним.

Я на Атомэкспо разговаривал с ребятами из ВНИИНМ и Панцырным В.И. - рассказывали про направления внедрения практической сверхпроводимости и проблемы на этом пути (отраслевые стандарты, обоснование надежности и стоимости и т.п.).

А российские кабели для ИТЭР действительно большой успех, который мало кто в стране заметил. В т.ч. потому что мало где рассказывается про технологические сложности и неудачи в процессе создания подобных изделий. С ракетами все понятно, а вот объяснить, чем сложен там отжиг или выдерживание шага скрутки - проблематично.

>Ну и так далее, если нужны детали - пишите в личку, мы много интересного знаем. :-) Например, что российские TF проводники показывают лучшие в мире результаты при испытаниях.

Я, кстати, это тоже знаю :) Насчет "интересного" - обязательно напишу, когда буду делать следующую статью или новость по сверхпроводникам.

Хотя вот можно спросить сразу - а вы знаете что-нибудь про готовящийся тендер ЦЕРН на поставку сп для апгрейда LHC?

>Да, и строится ИТЭР не совсем в КаДАраше (там находится институт французского комиссариата по атомной энергии и, кстати, очень неплохой токамак ТорСупра), а рядом в поселении лез Сен Дюранс. Но мы все по старой памяти называем это Кадарашем.

Ну, вообще площадка ИТЭР непосредственно примыкает к забору центра Кадараш, да и ITER IO довольно долго сидела именно в Кадараше в офисах CEA. В статье про новый реактор JHR в Кадараше у меня есть фотография где обе стройки видны в одном кадре :)

>А вообще спасибо за блог, а понадобятся уточнения - я к вашим услугам! Кстати в фильме, что вы упомянули во второй части и моя борода мелькнула :-)

Рад, что вам понравилось и спасибо за предложение.



Edited at 2016-06-28 07:48 am (UTC)
ya_veteran
Jun. 30th, 2016 06:33 am (UTC)
Да, я смотрю вы хорошо информированы, это приятно! :-) Наверное мы где-то в близких кругах крутимся, слой тонок :-)

Панцырного я знаю давно и близко. Он тоже в том фильме мелькнул. Но потому ушел все высокотемпературной сверхпроводимостью руководить :-) Там тоже много было сделано, а сейчас бьемся за продолжение проектов.

ЦЕРН-овцы были у нас две недели назад. Апргейд LHC уже весь просчитан и задача понятна. Но фактически провода со стабильными параметрами еще нет, магниты тоже только парочка прототипов сделана. Так что о конкретном тендере пока не слышал. Хотя наши собираются участвовать и мы при них если кабели делать надо будет. Но это мелочи.
Вот если все таки FCC решать строить - вот тогда работы всем сверхпроводящим людям по миру хватит лет на 10-15!

У меня есть пара статей, опубликованных в журнале Кабели и провода про контроль качества в ИТЭР и про результаты промышленного выпуска. Последняя неплохо получилась. Если интересно - могу прислать - скажите куда.
Можете заглянуть на сайт http://vniikp.ru/cable2.phtml - там есть мои координаты.
lexxair
Aug. 28th, 2015 03:17 pm (UTC)
мне казалось, что стекло-то как раз очень хорошо тянется. только медленно)
anakond7
Jun. 13th, 2015 09:18 am (UTC)
товарищ, спасибо за статью. перевод английского слова стрэнд на русский – нить, жила, полоса.
tnenergy
Jun. 13th, 2015 10:00 am (UTC)
Вообще чаще всего переводят как прядь. Но здесь я решил оставить исходное значение, что бы не запутать читателя в многочисленных этапах скрутки проводника, где на каждом этапе будет нить, жила, кабель.
( 20 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

February 2017
S M T W T F S
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728    
Powered by LiveJournal.com