Результат интеллектуальной деятельности: ОБМОТКА ПОЛЯ С ОТСЛОЕННОЙ ЛЕНТОЙ

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к термоядерным реакторам. В частности, настоящее изобретение относится к обмотке тороидального поля для использования с термоядерным реактором, включающим в себя плазменную камеру токамака.

Предпосылки изобретения

Сверхпроводящие материалы типично делятся на «высокотемпературные сверхпроводники» (ВТСП) и «низкотемпературные сверхпроводники» (НТСП). НТСП-материалы, такие как Nb и NbTi, являются металлами или сплавами металлов, чья сверхпроводимость может быть описана теорией БКШ (Бардина - Купера - Шриффера). Все низкотемпературные сверхпроводники имеют критическую температуру (температуру, выше которой материал не может быть сверхпроводящим даже в нулевом магнитном поле) ниже примерно 30 К. Поведение ВТСП-материала не описывается теорией БКШ, и такие материалы могут иметь критические температуры выше примерно 30 К (хотя следует отметить, что ВТСП-материал характеризуют именно физические различия в сверхпроводящем действии и составе, а не критическая температура). Наиболее часто используемыми ВТСП являются «купратные сверхпроводники» - керамики на основе купратов (соединений, содержащих группу оксида меди), такие как BSCCO, или ReBCO (где Re – это редкоземельный элемент, обычно Y или Gd). Другие ВТСП-материалы включают в себя пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборат магния (MgB₂).

ReBCO типично производится в виде лент со структурой, показанной на фигуре 1. Такая лента 500, как правило, имеет толщину приблизительно 100 микрон и включает в себя подложку 501 (типично электрополированный сплав хастеллой толщиной приблизительно 50 микрон), на которую нанесена методом IBAD, магнетронного распыления или другим подходящим методом последовательность буферных слоев, известных как буферные прослойки 502, с приблизительной толщиной 0,2 микрона. Эпитаксиальный слой 503 ВТСП-ReBCO (нанесенный методом MOCVD или другим подходящим методом) покрывает 15 буферные прослойки и типично имеет толщину 1 микрон. На этот слой ВТСП нанесен 1-2-микронный слой 504 серебра распылением или другим подходящим методом, и затем на ленту методом электролитического осаждения или другим подходящим методом нанесен слой 505 медного стабилизатора, который часто полностью заключает в себе ленту.

Подложка 501 обеспечивает механический каркас, который можно подавать по производственной линии и обеспечивать возможность выращивания последующих слоев. Буферные прослойки 502 требуются для того, чтобы обеспечить биаксиально текстурированный кристаллический шаблон, на котором выращивают слой ВТСП, и предотвращает химическую диффузию из подложки в ВТСП тех элементов, которые нарушают его сверхпроводящие свойства. Слой 504 серебра требуется, чтобы обеспечить переход низкого сопротивления от ReBCO к слою стабилизатора, а слой 505 стабилизатора обеспечивает альтернативный путь тока в случае, когда какая-либо часть ReBCO перестает быть сверхпроводящей (переходит в «обычное» состояние).

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предусмотрена обмотка тороидального поля для использования в сферическом токамаке. Обмотка тороидального поля содержит центральную колонну и множество возвратных ветвей. Центральная колонна содержит множество отслоенных ВТСП-лент, а возвратные ветви содержат множество снабженных подложкой ВТСП-лент. Каждая отслоенная ВТСП-лента содержит слой ReBCO, соединенный с соответствующими пограничными слоями металла на каждой стороне слоя ReBCO, причем каждый пограничный слой металла соединен со слоем металлического стабилизатора. Каждая снабженная подложкой ВТСП-лента содержит слой ReBCO, соединенный на одной стороне с пограничным слоем металла, а на другой стороне – с оксидными буферными прослойками, причем пограничный слой металла соединен со слоем металлического стабилизатора, а оксидные буферные прослойки соединены с подложкой.

Каждый пограничный слой металла может быть сформирован из серебра. Каждый слой металлического стабилизатора может быть сформирован из меди, алюминия, серебра, нержавеющей стали или латуни.

В другом варианте осуществления каждая возвратная ветвь содержит допускающий нарушение сверхпроводимости участок, содержащий снабженные подложкой ВТСП-ленты и нагреватели, уложенные смежно со снабженными подложкой ВТСП-лентами.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает структуру «снабженной подложкой» ленты ReBCO;

Фиг. 2 является иллюстрацией слоя ReBCO ленты.

Подробное описание изобретения

Последние усовершенствования в производстве лент ReBCO предоставили возможность «отслоения» длинных участков ReBCO - т.е. снятия без повреждения со слоя подложки. Получившийся в результате отслоенный ReBCO может быть покрыт серебром на той стороне, которая была ранее присоединена к подложке, и вторым слоем стабилизатора (например, меди, латуни, алюминия, серебра или нержавеющей стали), присоединенным к серебру на этой стороне (или покрытый серебром ReBCO может быть заключен внутри стабилизатора), образуя «отслоенную ВТСП-ленту». Поскольку электрическое сопротивление стабилизатора обычно будет значительно меньше, чем у соответствующих материалов подложки (например, хастеллоя), где множество лент размещены в пакете или кабеле, перенос тока между отслоенными ВТСП-лентами может быть значительно больше, чем у «снабженной подложкой» ВТСП-ленты (т.е. традиционной ВТСП-ленты, имеющей подложку) с тем же поперечным сечением. Это может вести к уменьшенной вероятности распространения нарушения сверхпроводимости в пакете, а значит, и к улучшенной устойчивости. Альтернативно, отслоенная ВТСП-лента, обеспечивающая устойчивость, эквивалентную снабженной подложкой ВТСП-ленте, может быть выполнена с меньшим поперечным сечением, обеспечивая значительно большую плотность тока в кабеле, выполненном из отслоенной ВТСП-ленты.

Фигура 2 - это схематичная иллюстрация слоя 203 ReBCO ленты, имеющей дефект 202, который простирается частично поперек ленты. Дефект может быть трещиной, кристаллическим дефектом, химическим дефектом или каким-то другим дефектом в ленте, который вынуждает небольшую область становиться обычной (т.е. несверхпроводящей). Посредством моделирования было обнаружено, что, когда ширина W_C отдельного дефекта 202 равна (100-X)% от ширины W_T слоя 203 ReBCO, утечки тока из ReBCO в смежный слой нет, если ток I меньше X% от критического тока I_C, т.е. утечки тока нет, если (W_T-W_C)/W_T < I/I_C. При более высоких значениях тока некоторая доля тока будет утекать в слой стабилизатора. Расстояние вдоль ленты, на котором ток утекает в медь, зависит от соотношения между I/I_C и (W_T-W_C)/W_T: там, где отношение токов близко к отношению ширины дефекта, ток будет утекать на большем расстоянии, и по мере того как отношение токов увеличивается, расстояние, на котором ток утекает, уменьшается. У снабженной подложкой ВТСП-ленты утечка тока будет, прежде всего, возникать в слой стабилизатора, с очень небольшой утечкой тока в подложку с относительно высоким сопротивлением. При отслоенной ВТСП-ленте, поскольку имеющий низкое электрическое сопротивление слой стабилизатора существует с обеих сторон ленты, ток может утекать на обеих сторонах. Это значит, что сопротивление, испытываемое током утечки, является более низким, и потери вследствие утечки тока уменьшаются по сравнению со снабженной подложкой ВТСП-лентой. Это действует на уменьшение эффектов локализованного нагрева и, таким образом, повышает устойчивость.

Когда множественные слои отслоенной ВТСП-ленты уложены друг на друга или объединены иным образом с образованием кабеля, ток, который утекает из одной ленты вследствие трещины, может переносится к другим лентам в кабеле, и ленты будут иметь тенденцию распределять ток таким образом, чтобы минимизировать общее сопротивление кабеля. По сути, преимуществом использования отслоенной ленты является то, что плотность ReBCO в кабеле может быть гораздо более высокой и позволяет использовать полную токонесущую способность всех ВТСП-лент в кабеле.

В случае обмотки тороидального поля сферического реактора-токамака, применение отслоенной ВТСП-ленты в центральной колонне делает возможной значительно более высокую плотность тока в центральной колонне, чем та, которая может быть достигнута со снабженной подложкой ВТСП-лентой. В возвратных ветвях существует меньше преимуществ от использования отслоенной ВТСП-ленты (поскольку плотность тока в возвратных ветвях не является важным конструктивным фактором).

Возвратные ветви могут быть использованы в системе защиты от нарушения сверхпроводимости, когда возвратные ветви имеют «допускающие нарушение сверхпроводимости участки», которые преднамеренно нарушают сверхпроводимость, если нарушение сверхпроводимости обнаруживается где-либо еще в магните, так что энергия магнита сбрасывается в стабилизатор возвратных ветвей, нагревая проводник. Это описывается в патентной заявке № GB1703132.9. Для того, чтобы эффективно сбрасывать энергию из магнита, допускающие нарушение сверхпроводимости участки 122 должны иметь достаточно высокое сопротивление в несверхпроводящем состоянии («нормальное сопротивление»), чтобы быстро уменьшать ток в магните, и достаточно высокую теплоемкость, чтобы поглощать накопленную энергию магнита, несомненно без плавления, и предпочтительно без повышения гораздо выше комнатной температуры или, более предпочтительно, выше 200°C. Температура горячего пятна при исходном нарушении сверхпроводимости будет определяться нормальным сопротивлением допускающих нарушение сверхпроводимости участков (которое частично определяется удельным сопротивлением выбранных материалов), а максимальная температура сверхпроводника на допускающих нарушение сверхпроводимости участках будет определяться, в первую очередь, теплоемкостью допускающих нарушение сверхпроводимости участков. Поскольку длина допускающих нарушение сверхпроводимости участков будет отчасти ограничена, чтобы избежать использования нагревателей в центральной колонне, где пространство ограничено, имеют место противоречивые требования. Теплоемкость может быть увеличена путем увеличения поперечного сечения допускающего нарушение сверхпроводимости участка (например, увеличения поперечного сечения несверхпроводящего стабилизатора на допускающем нарушение сверхпроводимости участке), но это также уменьшило бы нормальное сопротивление.

Для таких допускающих нарушение сверхпроводимости участков подложка в снабженной подложкой ВТСП-ленте фактически является преимуществом, поскольку типичные для подложки материалы (например, хастеллой) имеют более высокое отношение удельного сопротивления к объемной теплоемкости по сравнению с медью. Кроме того, снабженная подложкой ВТСП-лента, вероятно, является более дешевой и получаемой в более длинных отрезках, чем отслоенная ВТСП-лента, несмотря на то, что способы производства отслоенной ВТСП-ленты улучшились, так что все еще имеются преимущества от использования ее в возвратных ветвях, даже если система защиты от нарушения сверхпроводимости, кратко изложенная выше, не используется.

Следовательно, будет полезным предложить обмотку тороидального поля для сферического токамака, где центральная колонна содержит отслоенную ВТСП-ленту, а возвратные ветви содержат снабженную подложкой ВТСП-ленту.