Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методическое и аппаратное обеспечение экспериментальных исследований обмоточных сверхпроводников, используемых при создании CMC . 29
Введение к главе 1 29
1.1. Установка для измерения потерь энергии в изменяющемся магнитном поле в коротких образцах обмоточных сверхпроводников без транспортного тока 30
1.2. Методики и аппаратура для оперативного регулирования температуры объектов в криогенном диапазоне температур 44
1.2.1. Автоматизированная криогенная установка с регулируемой температурой 44
1.2.2. Короткое послесловие к п. 1.2.1 53
1.2.3. Система регулирования температуры образца типа «кабель-в-оболочке» с циркуляционным охлаждением 54
1.2.4. Заключение к п. 1.2. 60
Глава 2. Разработка программы и проведение испытаний КВПТО ИТЭР в составе МКЦС на международном испытательном стенде JAERI (Нака, Япония) 62
2.1 Международная Программа по созданию и испытаниям модельных катушек ИТЭР 62
2.2. Цели и задачи испытаний КВПТО 64
2.3 Технические характеристики Международного испытательного стенда JAERI 65
2.4. Конструкция и изготовление КВПТО 68
2.5. Стренды и обмоточный сверхпроводник КВПТО 72
2.6. Подготовка и проведение испытаний КВПТО 74
2.6.1. Разработка Программы испытаний КВПТО. 74
2.6.2 Диагностика КВПТО 76
2.6.2-1. Датчики для измерения вольт-амперных и вольт-температурных зависимостей
2.6.2-2 Индуктивный и омический нагреватели 89
2.6.2-3 Измерительные катушки 90
2.6.2-4 Тензодатчики и термометры, расположенные на поверхности силового каркаса КВПТО - неудачный опыт использования соединительных трасс в металлической низкоомной оплётке.
2.6.2-5 Оптоволоконный датчик температуры 93
2.6.3. Предварительные испытания и проверки на комнатной температуре
2.6.4. Гидравлическая схема испытаний КВПТО 100
2.6.5. Испытания в процессе захолаживания КВПТО. 101
2.6.5-1. Захолаживание до температуры 4,5 К 101
2.6.5-2. Повторная калибровка термометров TW 02 — TW 06 по температуре
2.6.5-3. Исследование причин нарушения калибровок термометров типа ТВО-0,125
3.6.5-4. Дополнительная калибровка термометров TW 02-TW 06 в магнитном поле МКЦС
2.6.5-5. Измерение перепада давления по длине канала охлаждения провода КВПТО
2.6.5-6. Краткие выводы к п.2.6.5. 115
2.6.6. Испытания КВПТО с током 115
2.6.6-1. Испытания КВПТО на рабочий ток в собственном поле 115
2.6.6-2. Испытания КВПТО на рабочий ток в магнитном поле МКЦС
2.6.6-3. Некоторые особенности испытаний КВПТО на рабочий ток в магнитном поле МКЦС
2.6.6-4. Испытания токонесущей способности провода КВПТО (измерение температуры деления тока Tcs и критического тока
2.6.6-5. Циклические испытания КВПТО 139
Глава 3. Разработка и применение методик послеиспытательного контроля КВПТО. Сопоставление с результатами испытаний КВПТО на стенде
3.1 Визуальный контроль состояния элементов конструкции КВПТО
3.2. Неразрушающий контроль (НК) целостности и соответствия техническим спецификациям основных конструктивных элементов КВПТО
3.3. Последовательная разборка КВПТО. Исследование продольных и поперечных сечений обмоточного сверхпроводника КВПТО
3.3.1. Определение положения термометров относительно провода и силового каркаса КВПТО
3.3.2 Исследование положения кабельной скрутки относительно оболочки провода различных витков обмотки КВПТО
3.3.3. Исследование субкабелей и продольных сечений провода КВПТО
3.3.4. Короткое заключение к Главе 3 156
Общие выводы 15 8
Заключение 159
Спис ок литературы . 161
- Методики и аппаратура для оперативного регулирования температуры объектов в криогенном диапазоне температур
- Система регулирования температуры образца типа «кабель-в-оболочке» с циркуляционным охлаждением
- Технические характеристики Международного испытательного стенда JAERI
- Неразрушающий контроль (НК) целостности и соответствия техническим спецификациям основных конструктивных элементов КВПТО
Введение к работе
К настоящему моменту сверхпроводимость, первоначально нашедшая применение в магнитных системах для фундаментальных исследований и физики высоких энергий, широко применяется в магнитных системах установок управляемого термоядерного синтеза (УТС) [1, 2].
Использование "горячей" дейтерий-тритиевая плазмы, сохраняемой в заданных границах с помощью сильных магнитных полей, представляется наиболее перспективным путём реализации термоядерного синтеза в целях получения неограниченного источника энергии [3,4]. Применение сверхпроводимости способно существенно уменьшить энергопотребление установок УТС.
Сверхпроводящие магнитные системы (CMC) используются в установках УТС различного типа, включая так называемые токамаки (тороидальная камера с магнитными катушками). В конструкции трёх наиболее известных Токамаков (Т15 [4,6], Tore Supra [5] и Triam [5]) использованы сверхпроводящие обмотки тороидального поля. В современных проектах применение сверхпроводимости было распространено на центральный соленоид, катушки полоидального поля и корректирующие катушки.
Наиболее известный проект полностью сверхпроводящего Токамака — международный термоядерный экспериментальный реактор ИТЭР, проектная стадия которого, включая крупномасштабные модельные эксперименты, была выполнена специалистами Европы, США, Российской Федерации и Японии в период с 1988 по 2002 г. [7, 8,9,10].
Чтобы достичь необходимых для УТС параметров, проект электромагнитной системы (ЭМС) ИТЭР выдвигает рекордные требования к сверхпроводящим проводам (ток до 50 кА в магнитном поле 13 Т), системе электрической изоляции (электрические напряжения до 5 кВ) и силовым элементам конструкции (силовые нагрузки до 400 МН).
Выполнение вышеуказанных требований потребовало разработки конструкции и технологии производства, а также промышленного освоения процесса изготовления обмоточных сверхпроводников (проводов) типа "кабель-в-оболочке", представляющих собой скрученные ниобий-оловянные (NbsSn) или ниобий титановые (NbTi) проволоки (стренды), заключаемые в металлическую оболочку круглого или квадратного сечения и охлаждаемые потоком гелия при температуре ~ 4,5 К [11,12,13].
Основные преимущества подобных проводов, по сравнению с проводами "погружного" типа - высокая эффективность охлаждения сверхпроводящих проволок, механическая прочность и возможность применения максимально безопасных схем электроизоляции.
Примеры Nb3Sn стренда [14] и провода типа "кабель-в-оболочке" [15], разработанных и изготовленных соответственно в ФГУП «ВНИИНМим. Академика А.А. Бочвара» и ОАО «ВНИИКП» в соответствии с требованиями тороидальной обмотке ЭМС ИТЭР, приведены нарис. В-1.
Для подтверждения свойств обмоточных сверхпроводников на этапах разработки и массового производства проводятся экспериментальные исследования сверхпроводящих и электрофизических свойств проводов в условиях, близких к рабочим, имеющих место в CMC.
Объём экспериментальных работ зависит от масштаба и стоимости CMC. В случае ИТЭР экспериментальным исследованиям подверглись как короткие (длиной менее 2 м) образцы, так и модельные катушки, изготовленные из полномасштабных образцов обмоточных сверхпроводников длиной 40 - 200 м.
Исследования коротких образцов проводятся для оценки технических характеристик провода в первом приближении и контроля качества проводов при массовом выпуске в подтверждение приемлемости выбранной технологии изготовления проводников.
Из-за размерных и методических ограничений исследования коротких образцов не обеспечивают полную адекватную проверку свойств
обмоточных проводников в рабочих условиях. Для более точного воспроизведения рабочих условий используются модельные катушки, изготовленные с использованием конструктивных решений и предполагаемой технологии изготовления CMC. Испытания модельных катушек в условиях, близких к реальным рабочим условиям CMC, позволяют выявить неучтённые ранее недостатки конструкции обмоточных
сверхпроводников и технологии их изготовления.
Рис. В-1а. Поперечное сечение Nb3Sn стренда, Рис. В-16. Фрагмент Nb3Sn стренда разработанного и изготовленного во ВНИИНМ (после диффузионного отжига), (до диффузионного отжига).
Рис. В-1в. Конструкция Nb3Sn провода типа Рис. В-1г. Поперечное
«кабель-в-оболочке», изготовленного во сечение Nb3Sn провода типа
ВНИИКП. «кабель-в-оболочке».
Предлагаемая к рассмотрению работа посвящена развитию научных подходов и решению технических задач, связанных с проведением экспериментальных исследований сверхпроводящих стрендов и проводов в обеспечение проектирования ЭМС ИТЭР.
В общем случае экспериментальные исследования включают в себя:
проведение расчётов с целью определения максимальных рабочих условий стренда или провода CMC и возможности их моделирования;
разработку программы эксперимента или приемо-сдаточных испытаний, содержащей перечень измеряемых характеристик и описание измерительных методик, обеспечивающих соответствие условий испытаний расчётным параметрам моделирования;
разработку конструкций образцов для исследований;
разработку диагностических средств, включая конструктивную проработку способов установки датчиков и калибровочные измерения;
создание измерительных установок, реализующих разработанные методики;
разработку методик и средств предварительной обработки и последующего анализа полученных результатов
Объём экспериментальных работ прямо зависит от масштаба и стоимости CMC. В случае ЭМС ИТЭР модельным экспериментальным исследованиям подверглись все основные элементы конструкции, включая значительные длины полномасштабных сверхпроводящих проводов.
В части МэзБп и NbTi сверхпроводников ИТЭР следует отметить две программы экспериментальных исследований, участие в которых приняли организации из Японии, США, России и стран Европейского сообщества.
Программа аттестационных испытаний сверхпроводящих проволок и неполномасштабных образцов провода ИТЭР (1993-1995 г.г.) [16].
Программа по сооружению и испытаниям Модельных Катушек ИТЭР с размерами, минимально необходимыми для испытания проводов ИТЭР
в условиях, соответствующих напряженно-деформированному состоянию, электромагнитным и термогидравлическим режимам работы ЭМС ИТЭР.(1993-2003 г.г.) [17].
В ходе выполнения первой основные производители стрендов — Hitachi Cable, EM-LMI, IGC и ВНИИНМ - предоставили NbsSn стренды, из которых были изготовлены образцы самих стрендов (рис. В-2а) и образцы провода типа "кабель-в-оболочке". Последние были использованы для всесторонней проверки оборудования для измерения критического тока, потерь энергии, удельного сопротивления и других сверхпроводящих и электрофизических параметров, созданного в НИИЭФА (Россия), MIT (США), СЕА (Франция), JAERI (Япония), Twente Unuversity (Голландия).
Целью второй программы была экспериментальная проверка на полномасштабных прототипах и моделях новейших технологий, необходимых для создания обмоточных сверхпроводников и конструкции ЭМС ИТЭР. В рамках этой программы [18,19] США, Японией, Россией и Европейским сообществом были сооружены и испытаны Модельная Катушка Центрального Соленоида (МКЦС) [19], Модельные Катушки-вставки [20,21], включая российскую Катушку-Вставку с образцом Провода Тороидальной Обмотки (КВПТО) [21,22, 53] (рис. В-26), и Модельную Катушку Тороидального Поля (МКТП) [23]. Данная программа позволила объединить в единое целое работы по созданию обмоточных сверхпроводников магнитной системы ИТЭР, их электрических контактных соединений, криогенных токовых вводов, конструкционной стали силовой структуры, электроизоляции, системы диагностики и защиты, а также технологии изготовления обмоток ЭМС ИТЭР.
Для реализации программ потребовалось:
1) Разработать методики определения технических характеристик, перечень и условия измерений которых соответствуют требованиям проекта ИТЭР.
2) Разработать конструкции образцов сверхпроводящих стрендов и обмоточных сверхпроводников, обеспечивающих адекватную проверку их свойств в рабочих условиях.
Несмотря на разницу в масштабах образцов стрендов и полномасштабных проводов ИТЭР, которую иллюстрирует рис. В-2, и в том, и другой случай требуется решение магнито- и термомеханических задач, связанных с:
широким температурным диапазоном использования механических структур для закрепления сверхпроводящих стрендов или проводов. Например, в случае сверхпроводящего соединения Nb3Sn, получаемого путём специальной термообработки, диапазон применения составляет 4,2 - 920 К;
электромагнитными силами, действующими на стренды и провода, несущие токи до 50 кА в магнитных полях до 13 Тл.
Рис. В-2а. Образцы Nb3Sn стренд на Рис. В-26. КВПТО ИТЭР в силовом
каркасах для термообработки и каркасе из нержавеющей стали,
измерения критических параметров. изготовленная в рамках Программы
модельных катушек ИТЭР.
3) Создать измерительные установки и экспериментальные стенды, обеспечивающих реализацию разработанных методик.
Масштаб оборудования для испытаний варьируется от измерительных станций для определения отдельных сверхпроводящих и электрофизических характеристик до огромных сооружений, подобных Международному испытательному стенду ИТЭР, созданному в Японском Институте Исследований по Атомной Энергии (JAERI) [24], в состав которого входят
МКЦС - сверхпроводящий цилиндрический соленоид с магнитным полем 13 Т в отверстии диаметром около 2 м, источник тока до 60 кА, система криообеспечения, система управления, сбора и контроля информации и система защиты.
Разработать и реализовать на практике системы диагностики с использованием как традиционных (потенциальные концы, измерительные катушки, криогенные термометры, тензодатчики, датчики Холла и т.п.), так и нетрадиционных (оптоволоконная диагностика, датчики акустической эмиссии и т.п.) измерительных датчиков.
Разработать методики предварительной обработки и последующего анализа результатов измерения.
При этом отдельной задачей была разработка методик сравнения результатов, полученных при исследовании одиночных стрендов с характеристиками тех же стрендов, полученными в составе неполно- и полномасштабных проводов.
Результаты исследований, проведённых в рамках данной диссертационной работы, позволили всесторонне проверить разработанную конструкцию и технологию изготовления обмоточного сверхпроводника тороидальной обмотки ЭМС ИТЭР. Полученные данные могут быть использованы при подготовке технических спецификаций проводов ЭМС ИТЭР и других крупных CMC, что определяет актуальность представленной диссертации.
Работа выполнена в соответствии с Федеральными целевыми научно-техническими программами:
-«Международный термоядерный реактор ИТЭР» на 2002-2005 годы (постановление Правительства РФ №604 от 21 августа 2001 г.)
- «Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку» на 1996-1998 годы (постановление Правительства РФ №1119 от 19 сентября 1996 г.) и на 1999-2001 годы (№1417 от 1 декабря 1998 г.).
Цель работы
Целью диссертационной работы является создание и использование на практике экспериментальных методик, измерительного оборудования и диагностических средств как для исследования коротких образцов обмоточных сверхпроводников крупных CMC, включая ЭМС ИТЭР, так и для испытаний полномасштабного 43-метрового образца обмоточного сверхпроводника тороидальной обмотки ИТЭР в составе модельной катушки Катушки-Вставки с Проводником Тороидальной Обмотки (КВГТГО) ИТЭР.
Решены следующие задачи:
Разработка экспериментальной методики и создание установки для измерения потерь энергии за цикл изменения во времени внешнего магнитного поля в коротких образцах обмоточных сверхпроводников.
Разработка методики и оборудования для оперативного регулирования и стабилизации температуры образцов обмоточных сверхпроводников в диапазоне 4,2 - 120 К.
Разработка программы и проведение испытаний КВПТО в составе МКЦС на международном стенде JAERI (Нака, Япония), включая разработку методического обеспечения, подготовку измерительной диагностики, проведение исследований и предварительный анализ полученных результатов.
Разработка методик, проведение и анализ результатов послеиспытательного контроля состояния обмотки и провода КВПТО, в ходе которого был проведён дополнительный анализ результатов испытаний КВПТО на стенде JAERI.
Научная новизна и результаты, выносимые на защиту В рамках представляемой работы ряд принципиально известных методик были существенно модифицированы в применении к реальным объектам исследования, а также задачам КЛЭР, что позволяет говорить об их новизне. - Разработана и реализована в экспериментальной установке методика измерения потерь энергии в коротких образцах обмоточных сверхпроводников. Отличительные особенности методики:
одновременное измерение потерь энергии электромагнитным и калориметрическим методами при однократном изменении внешнего магнитного поля по треугольному или трапецеидальному закону;
использование на выходе калориметрического объёма высокочувствительного поплавкового ротаметра с электронным устройством считывания положения поплавка;
использование нагревателя, расположенного в объёме калориметра для создания опорного потока газа, обеспечивающего начальное положение поплавка ротаметра.
Разработаны методика и аппаратное обеспечение для оперативного регулирования и стабилизации температуры образцов обмоточных сверхпроводников в диапазоне 4,2 —120 К. Основная особенность — возможность моделирования теплофизических процессов, предполагающих стабилизацию на заданном уровне температуры образцов, охлаждаемых сверхкритическим гелием.
Разработаны методические подходы к моделированию рабочих условий обмоточных сверхпроводников крупных CMC, включая ЭМС ИТЭР. В частности, программа испытаний КВПТО в составе МКЦС была разработана для моделирования условий, максимально приближенных к наиболее жёстким рабочим условиям по магнитному полю и механическим напряжениям (зона максимального поля на внутренней ноге катушки тороидального поля ИТЭР).
В ходе испытаний КВПТО впервые проверены на полномасштабном образце конструкция и технология изготовления российского ниобий-оловянного провода для тороидальной обмотки ИТЭР. Максимальный испытательный ток составил 46 кА в поле 13 Тл. Как и в МКЦС, обнаружен эффект снижения критических параметров провода по сравнению с характеристиками, рассчитанными на основе результатов испытаний исходных стрендов.
Разработана и успешно применена в ходе испытаний КВПТО система термометрии высоковольтных компаундированных обмоток с помощью
термометров сопротивления. Отличительная особенность - размещение датчиков на первом полиимидном слое изоляции провода КВПТО толщиной 0,25 мм. Последующие слои из стеклоленты после вакуумной пропитки компаундом обеспечивают механическое крепление и защиту термометров от высокого электрического напряжения. - Разработана и испытана в лабораторных условиях специальная конструкция оптоволоконного кабеля, размещаемого в канале охлаждения обмоточного сверхпроводника для измерения распределения температуры по его длине. Разработаны и реализованы на практике методики контроля состояния обмотки и провода КВПТО после испытаний на стенде JAERI. Обнаружены многочисленные дефекты стрендов в местах контакта со спиралью охлаждающего канала и пластическая деформация структуры кабеля КВПТО под действием электромагнитных сил. Практическая ценность
Результаты, полученные в рамках данной диссертационной работы, имеют следующее практическое значение:
Методика и установка для измерения потерь энергии в изменяющемся магнитном поле успешно использованы при исследовании образцов обмоточного сверхпроводника индуктивного накопителя с циркуляционным охлаждением энергоёмкостью 100 МДж, проведённого в КГЦ «Синтез» ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова по заказу американской фирмы BWXT.
Измерения критических параметров образцов вышеупомянутого обмоточного сверхпроводника проведены с использованием разработанных методики и оборудования для оперативного регулирования и стабилизации температуры. Кроме того, разработанные методические подходы к регулированию температуры провода, охлаждаемого потоком однофазного гелия, были использованы в ходе испытаний КВПТО на международном стенде JAERI.
Разработанный способ размещения термометров между слоями компаундированной высоковольтной изоляции использован при установке термометров для приемо-сдаточных испытаний высоковольтной обмотки зарядной катушки, изготовленной во ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова по заказу Массачусетского технологического института (MIT, США).
Разработанные методики неразрушающего и разрушающего контролей внедрены и используются в НТЦ «Синтез» ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова для контроля качества изготовления образцов обмоточных сверхпроводников и CMC различного назначения.
Результаты испытаний КВПТО, наряду с результатами испытаний других модельных катушек ИТЭР, стали исходной базой для корректировки критериев проектирования обмоточных сверхпроводников ЭМС ИТЭР. Достоверность основных результатов
Представленные в диссертационной работе методика и установка для измерения потерь энергии в коротких образцах обмоточных сверхпроводников были сертифицированы без замечаний в рамках проекта ИТЭР после сравнительных испытаний с участием аналогичных установок, созданных в МГГ(США), СЕА (Франция), JAERI (Япония), Twente Unuversity (Голландия).
Результаты испытаний КВПТО на стенде JAERI были проанализированы Международной группой по испытаниям модельных катушек ИТЭР, в состав которой входили специалисты из Японии, США, Европы и России. Результаты анализа подтвердили достоверность полученных результатов, после чего они были включены в базы данных и опубликованы в документах ИТЭР, а также в сборниках материалов различных конференций.
Достоверность результатов послеиспытательного контроля подтверждается использованием современных методов исследования (рентгеновской интроскопии, ультразвуковой дефектоскопии, рентгенографии, с высоким разрешением, программного обеспечения для анализа цифровых фотографий и т.п.). Кроме того, результаты
разрушающего контроля подтверждаются данными, полученными в ходе
измерения гидравлических характеристик провода КВПТО.
Апробация результатов и публикации. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на рабочих совещаниях Центральной команды ИТЭР (г. Нака, Япония и Сан-Диего, США) в период с 1996 по 2002 г.г., а также представлялись на всероссийских конференциях «Инженерные проблемы термоядерных реакторов» (Ленинград, октябрь 1990; Санкт-Петербург, май 1997 и октябрь 2002); международных конференциях по Магнитным технологиям (МТ-12, Ленинград, 1991г.; МТ17, Женева, 2001 г.); по Термоядерной энергии (17th IAEA, 1998 г.); по Проблемам прикладной сверхпроводимости (ASC-2002, Хьюстон, ASC-2004, Джексонвиль).
Результаты диссертации опубликованы в 25 работах.
Объем и структура диссертации.
Работа изложена на 169 машинописных листах, состоит из введения, трех глав и заключения, а также содержит 85 рисунков и 16 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 70 наименований.
Содержание работы
Первая глава диссертации посвящена вопросам проведения экспериментальных исследований основных сверхпроводящих и электрофизических характеристик коротких образцов обмоточных сверхпроводников, используемых при создании CMC, включая ЭМС ИТЭР. В общем случае исследованиям подлежат:
критическая плотность тока и магнитные свойства в диапазоне рабочих температур и деформаций [31 - 33];
запас стабильности по температуре [34-36];
параметры распространения нормальной зоны [37, 38];
- потери энергии в изменяющемся во времени магнитном поле [39 - 42];
-распределение магнитного поля по сечению обмоточных
сверхпроводников [43, 44]
Наряду с критическими характеристиками, потери энергии под воздействием изменяющегося во времени магнитного поля являются одним из важнейших факторов, влияющих на работоспособность сверхпроводника [1,5]. Выделяясь в сверхпроводящих обмотках в виде тепла, потери повышают тепловую нагрузку на криогенную систему CMC, увеличивая стоимость криогенного оборудования и снижая эффективность применения CMC в целом.
В первом разделе главы 1 рассматриваются вопросы создания и результаты использования установки для измерения потерь энергии в образцах обмоточных сверхпроводников.
В общем случае электромагнитные потери в изменяющемся во времени магнитном поле подразделяются на:
гистерезисные потери, определяемые токами, протекающими только по сверхпроводящим волокнам;
кооперативные потери, возникающие в нормально-проводящих материалах и сверхпроводящих волокнах вследствие перетекания токов между сверхпроводящими волокнами в стрендах, между стрендами или между субкабелями в обмоточном сверхпроводнике;
потери на вихревые токи (токи Фуко), возникающие в нормальных металлах.
В рамках так называемой модели критического состояния [5, 54, 55] в случае, когда транспортный ток ниже критического 1с, электромагнитные потери возникают вследствие изменяющихся внешнего магнитного поля Во и (или) транспортного тока I. Величина потерь зависит как от конструкции сверхпроводящего провода, так и от характеристик Во и I, включая их ориентацию по отношению друг к другу и к характеристическим направлениям сверхпроводящего провода.
Характеристики сверхпроводников в терминах напряжённости электрического поля Е и плотности тока J (ВАХ) сугубо нелинейны и могут
быть выражены как Е = Ес
— ,где: \JoJ
Е0 - напряжённость электрического поля, соответствующая плотности
тока J0;
п — характеристика сверхпроводника. При этом п=1 соответствует нормально проводящим металлам.
Механические потери также могут быть подразделены на два типа:
потери, возникающие вследствие трения внешней поверхности сверхпроводящего провода при его движении под действием электромагнитных сил;
потери, возникающие внутри сверхпроводящего провода, вследствие трения или деформации стрендов.
Методы измерения потерь подробно описаны во многих работах, например в [39-42]. Обычно их подразделяют на калориметрические, электромагнитные и механические в соответствии с. видом измеряемой физической величины. Практическая реализация данных методов многообразна и зависит от конструктивных особенностей сверхпроводника и будущего сверхпроводящего устройства, целей и требуемой точности измерений и т.п.
Механические потери и методы не являются предметом рассмотрения представляемой работы.
Калориметрические методы, основанные на измерении теплофизических величин, в частности, на измерении массы испарившегося хладагента, являются наиболее прямым способом измерения потерь энергии, обеспечивающим высокую чувствительность и хорошую точность как для небольших образцов, так и для сверхпроводящих устройств в целом. К недостаткам калориметрических методов могут быть отнесены сложность оборудования и измерительного процесса.
Электромагнитные методы, основанные на измерении петель намагничивания образца за цикл изменения приложенного поля, обладают несомненно более высокой чувствительностью, что позволяет измерять потери даже в отдельно взятых стрендах, но требует решения ряда проблем, связанных с:
необходимостью учитывать неинформативные составляющие измерительных сигналов, связанных с изменением внешнего или собственного магнитных полей;
наличием сетевых и электромагнитных помех;
определением точного соотношения между измеряемым параметром и значением потерь энергии, что, обычно, требует дополнительной калибровки. Обычный способ калибровки - использование эталонных образцов, потери в которых последовательно измеряются калориметрическим и электромагнитным способом. Данный подход требует дополнительных затрат на приобретение эталонных образцов и проведение калибровочных измерений.
В предметной части раздела 1 приведено описание методики и установки для измерения потерь энергии в изменяющемся магнитном поле в коротких образцах обмоточных сверхпроводников без транспортного тока двумя методами (калориметрическим и/или электромагнитным). Тем самым предпринята попытка объединить достоинства калориметрического и электромагнитного методов [41,42]. Построенная на основе 5-теслового дипольного магнита и стеклотекстолитового калориметрического объёма, установка была аттестована в рамках сравнительных испытаний и допущена без замечаний для измерений потерь энергии в коротких образцах обмоточных сверхпроводников ЭМС ИТЭР[56].
Среди многочисленных применений разработанных методики и аппаратуры следует упомянуть:
-установку для измерения гистерезисных потерь в образцах сврхпроводящих стрендов (рис. В-2а). Результаты, полученные в ходе сравнительных испытаний с участием Hitachi Cable, EM-LMI, IGC и ВНИИНМ позволили , как и в случае обмоточных сверхпроводников, сертифицировать установку в рамках проекта ИТЭР [57].
- измерение потерь энергии в коротких образцах ниобий-титанового обмоточного сверхпроводника для 100 МДж накопителя фирмы BWXT (США) [58];
Второй раздел главы 1 посвящен методикам и аппаратуре для оперативного регулирования температуры объектов в криогенном диапазоне температур.
В экспериментальной физике низких температур широко используются установки для термостабилизации образцов за счёт их теплового контакта с элементами установки, обладающих значительной теплоёмкой массой (например, с массивными медными блоками) [46-48]. При испытаниях образцов обмоточных сверхпроводящих проводов встаёт иная задача — обеспечение термодинамических условий для образца, моделирующих рабочие условия в реальных обмотках, включая моделирование динамических процессов теплообмена образца с конструкционными и охлаждающими элементами обмотки.. В частности для проводов типа «кабель-в-оболочке» важно обеспечить стабилизацию температуры хладагента, подводимого к исследуемому участку образца. При этом требуется оперативно с заданной скоростью осуществлять управление температурой хладагента в охлаждающем канале образца в диапазоне 4,2 — 30 К для низкотемпературных сверхпроводников и в диапазоне 4,2 - 120 К и более для высокотемпературных.
Кроме моделирования термодинамических условий, требуется обеспечить пропускание по образцу испытательного тока и приложение к образцу постоянного или изменяющегося во времени испытательного магнитного
поля . В случае, если токоподводы, их контактные соединения с образцом и сверхпроводящие обмотки, создающие сильные испытательные магнитные поля охлаждаются погружением в жидкий гелий, встаёт задача теплоизоляции исследуемого участка образца от жидкого гелия в испытательном криостате.
В предметной части раздела 2 приведено описание разработанных с участием автора методики и лабораторной установки для оперативного регулирования и стабилизации температуры образцов в среде газообразного и сверхкритического гелия в диапазоне 4,2 —300 К. Отличительная особенность установки - использование нагревателей и системы автоматического управления их мощностью. Данная методика и реализующая её аппаратура были отработаны в ходе калибровки криогенных термометров сопротивления типа ТВО-0,125 [49]. Откалиброванные с её помощью термометры использованы в системе диагностики КВПТО [50].
Дальнейшее развитие методика получила при создании системы регулирования температуры образцов сверхпроводящих проводов типа «кабель-в-оболочке», охлаждаемых потоком сверхкритического гелия, и, одновременно, находящихся в жидком гелии из-за, например, «погружного» типа магнитных систем, используемых в испытаниях. Главная особенность системы - «активная» теплоизоляция исследуемой части образца от жидкого гелия. В основе конструкции - негерметичный теплоизоляционный кожух и нагреватель, расположенный на поверхности образца. Мощность, выделяющаяся на нагревателе, приводит к образованию в зазорах между образцом и кожухом газообразного гелия, обеспечивающего дополнительную теплоизоляцию.
Данная система была с успехом применена при испытаниях образца сверхпроводящего провода для индуктивного накопителя энергоёмкостью 100 МДж, проведённых по заказу американской фирмы BWXT [51]. Аналогичные подходы к регулированию температуры провода,
охлаждаемого потоком однофазного гелия, были использованы, также, в ходе испытаний КВПТО на международном стенде JAERI [52, 53].
Вторая глава диссертации посвящена разработке программы и проведению испытаний российской КВПТО ИТЭР (рис. В-26) [21,22] в составе МКЦС на международном стенде JAERI (г. Нака, Япония) [24].
КВПТО была сконструирована в НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, головной организации проекта, для испытаний полномасштабного ниобий-оловянного провода тороидальной обмотки ИТЭР в рабочих условиях, соответствующих зоне максимального поля, расположенной в области внутренней опоры тороидальных катушек ИТЭР.
Для создания КВПТО потребовалось объединить усилия отечественных научных и производственных организаций, обеспечивших поставку сверхпроводящих ниобий-оловянных стрендов с соответствующими сертификатами и регламентом отжига (ВНИИНМ им. Академика Бочвара А.А., Москва) [14]; изготовление и намотку в спираль 43- метрового провода типа «кабель в оболочке» (ВНИИКП, Москва) [15]; изготовление силового каркаса КВПТО (АО «Ижорские заводы», Санкт-Петербург) [22, 53].
Успешное изготовление КВПТО подтвердило применимость разработанной с участием автора технологии для изготовления обмоток ЭМС ИТЭР, использующих провод в тонкостенной цилиндрической оболочке. При дальнейшем развитии данная технология может быть использована для изготовления крупномасштабных CMC, включая сверхпроводящие индуктивные накопители энергии [25,26].
Процесс подготовки и проведения испытаний КВПТО может быть разделён на два основных этапа:
Подготовку испытаний КВПТО на стенде JAERI, включая
создание базы данных исходных стрендов, провода и конструктивных материалов, использованных при изготовлении КВПТО; предварительные расчеты режимов испытаний и т.п.
Проведение испытаний и создание базы экспериментальных
данных для последующего анализа.
Первый раздел второй главы посвящен подготовке испытаний КВПТО, включая:
1) Разработку Программы испытаний КВПТО, как части Программы испытаний МКЦС ИТЭР [50].
До момента начала первых испытаний на стенде JAERI с 1996 по 2000 год было выпущено пять последовательно развивающихся версий Программы испытаний КВПТО, охватывающих все аспекты предстоящих испытаний.
Разработанная в рамках программы испытаний схема диагностики КВПТО была нацелена на исследование токонесущей способности провода путём измерения переходных вольт-амперных (ВАХ) и вольт-температурных характеристик (ВТХ) при постоянной величине внешнего магнитного поля.
В отличие от МКЦС и других модельных катушек.ИТЭР, практически не имевших диагностики на отдельных витках обмоток из-за на порядок более высоких (10 кВ против 1 кВ) требований к витковой высоковольтной изоляции, схема диагностики КВПТО содержала набор датчиков, расположенных по длине провода КВПТО на поверхности титановой оболочки. В состав диагностики входили термометры сопротивления на основе углеродной композиции типа ТВО-0,125, потенциальные концы, круговые измерительные катушки, а также индукционный и омический нагреватели.
Разработанная методика установки термометров типа ТВО-0,125 предусматривала размещение датчиков на первом полиимидном слое изоляции провода КВПТО толщиной 0,25 мм. Последующие слои из стеклоленты, пропитанные компаундом горячего отверждения, обеспечивали механическое крепление и защиту термометров от . электрического напряжения до 1кВ. Аналогичным способом была осуществлена установка остальной диагностики.
В общей сложности пять витков обмотки КВПТО были оснащены термометрами и потенциальными концами, что дало возможность проводить сравнительный анализ ВАХ и ВТХ различных участков провода КВПТО.
На этапе разработки программы испытаний в дополнение к измерительным датчикам предполагалось оснастить КВПТО диагностикой для обнаружения перехода сверхпроводника в резистивное состояние. Одним из признаков начала подобного перехода являются интенсивные тепловыделения в ограниченном участке кабельной скрутки, приводящие к быстрому повышению температуры стрендов и хладагента. Обнаружение места перехода обычными термометрами, установленными, например, на внешней поверхности оболочки провода, требует большого количества датчиков и отличается временной задержкой, снижающей эффективность системы обнаружения. Поэтому для КВПТО была разработана методика измерения распределения температуры по длине кабельной скрутки, основанная на применении оптоволоконного кабеля, расположенного непосредственно в канале охлаждения провода.
2) Предварительную калибровку и установку диагностических средств,
включая термометры типа ТВО-0,125, потенциальные концы, круговые
измерительные катушки, индукционный и омический нагреватели,
тензодатчики.
Предварительная калибровка термометров по температуре была проведена в НИИЭФА с использованием вышеупомянутой установки. В ходе испытаний на стенде JAERI была проведена дополнительная калибровка термометров по магнитному полю с подготовкой обобщающих полиномов Т= f(R, В), где Т и R - температура и сопротивление термометра, В магнитное поле МКЦС.
3) Согласование с персоналом стенда JAERI перечня датчиков давления,
температуры и расхода, входящих в состав диагностики стенда и
используемых входе испытаний КВПТО. Установка на КВПТО датчиков
акустической эмиссии, используемых совместно с представителями японского Национального Института Современной Промышленной науки и Технологии (AIST, Tsukuba, Япония).
Во втором разделе второй главы представлены описания и результаты использования ряда методик для измерения технических характеристик обмоточного сверхпроводника КВПТО, включая:
1) Методика испытаний КВПТО на максимальные рабочие параметры.
Методика предусматривала создание для проводника КВПТО условий испытаний по магнитному полю (13 Тл) и продольной деформации (0,25%), соответствующих наиболее напряжённым условиям работы обмоточного сверхпроводника тороидальной обмотки ИТЭР. Рабочие токи МКЦС 45,2 кА и КВПТО 46 кА были выбраны как обеспечивающие максимальное магнитное поле 13 Тл на среднем витке спирали в ближней к центру части поперечного сечения провода КВПТО.
Предварительно пять последовательных заведений тока в КВПТО с постепенным увеличением амплитуды до 46 кА были произведены в отсутствии магнитного поля МКЦС. В течении следующих пяти заведений с одновременным увеличением тока КВПТО и магнитного поля МКЦС были достигнуты максимальные параметры 46 кА в поле 13 Тл.
2) Методика измерения гидравлических характеристик провода КВПТО
Для измерения гидравлических характеристик провода КВПТО были использованы термометры, датчики давления и расходомеры, установленные на входе и выходе КВПТО, а также дифференциальный датчик давления, измерявший разницу давлений между входом и выходом.
Методика предусматривала измерение зависимостей перепада давления между входом и выходом провода КВПТО от входного и выходного расхода.
В результате измерений обнаружено изменение перепада давления по длине провода КВПТО, измеренного до и после электромагнитного нагружения провода КВПТО.
3) Методика измерения токонесущей способности провода КВПТО
(измерение температуры деления тока Tcs и критического тока 1с)
Исследования токонесущей способности провода КВПТО были проведены посредством снятия переходных ВАХ или ВТХ характеристик в квазистационарных условиях, то есть при постоянной величине внешнего магнитного поля МКЦС и постоянных (или медленно меняющихся) значениях рабочего тока и температуры провода КВПТО.
Методика предусматривала измерение Tcs путём медленного (2 К/час) увеличения температуры закритического гелия в канале охлаждения провода КВПТО, несущего постоянный ток.
Измерение 1с предполагалось проводить путём медленного (10 А/с) увеличения тока при постоянной входной температуре закритического гелия в канале охлаждения провода КВПТО.
Испытательные значения магнитного поля и тока КВПТО определялись по режимам испытаний исходных стрендов, предоставленных ВНИИНМ им. А.А. Бочвара. В ходе испытаний КВПТО было проведено четырнадцать измерений Tcs и одно измерение 1с в режимах с магнитным полем 0; 5; 11,4 и 12 Тл и током КВПТО 0,6; 17,4-17,6 и 46 кА. Значения Tcs и 1с определялись на уровнях напряжений по длине провода КВПТО Ес=0,1; 0,3 и 0,5 мкВ/см и магнитного поля, соответствующего исследуемому витку КВПТО.
Как и в МКЦС, во всех режимах испытаний КВПТО измеренные значения температуры деления тока Tcs провода оказались ниже Tcs, определённого из характеристик исходных стрендов.
4) Методика циклических испытаний КВПТО
Исследования влияния циклических электромагнитных нагрузок на поведение обмоточного сверхпроводника КВПТО предусматривали следующие режимы испытаний:
1000 14 кА циклов в поле МКЦС 12 Тл со скоростью 300 кА/с;
1000 36 кА циклов в поле 12 Тл;
2 защитных вывода энергии с 1 с и 5 с задержкой, инициируемых с помощью индуктивного нагревателя;
2 дополнительных защитных вывода энергии с 1 с и 7 с задержкой.
В ходе испытаний характеристики провода, включая Tcs, практически не изменились.
Третья глава диссертации посвящена разработке и применению методик послеиспытательного контроля в сопоставлении с результатами её испытаний на стенде JAERI.
Послеиспытательный контроль был проведён в НИИЭФА после возврата ІСВПТО из JAERI (Япония) с целью проверки состояния основных элементов конструкции КВПТО и выявления причин снижения критических характеристик обмоточного сверхпроводника.
На первом этапе с помощью методов неоазрушающего контроля, включающих радиационную интроскопию, радиографический контроль, цветную дефектоскопию и ультразвуковой контроль, была подтверждена целостность и соответствие техническим спецификациям основных конструктивных элементов КВПТО (провод и изоляция обмотки, силовой каркас, контактные наконечники и т.д.).
Следующим этапом была произведена последовательная разборка КВПТО, включая резку обмотки на секции, извлечение элементов кабельной скрутки и подготовку поперечных сечений провода КВПТО.
В ходе послеиспытательного контроля были обнаружены многочисленные механические повреждения стрендов и изменение структуры кабельной скрутки под оболочкой провода КВПТО. В сумме каждый метр длины провода КВПТО содержал примерно 1500 дефектов, способных повлиять на критические характеристики стрендов.
Обнаруженные факты хорошо согласуются с данными об изменении гидравлических и сверхпроводящих характеристик провода КВПТО, приведёнными в главе 2.
В заключении формулируются основные итоги работы. Главный вывод -решенные в диссертации задачи имеют существенное значение для развития техники и технологии CMC термоядерных энергетических установок. Полученные результаты испытаний КВПТО были использованы при составлении новых проектных спецификаций на стренды и сверхпроводящие провода ЭМС ИТЭР.
Методики и аппаратура для оперативного регулирования температуры объектов в криогенном диапазоне температур
Одним из вопросов, требующих решения при проектировании CMC, является исследование электрических, теплофизических и механических свойств различньк объектов при криогенных температурах в условиях, близких к реальным, имеющих место в проектируемых установках.
Для выполнения работ такого рода необходимы - оперативные методы и средства регулирования (стабилизации)температуры объектов в вакууме, газе или криогенной жидкости; - криогенные датчики разного типа, предназначенные для работы в условиях изменяющейся в требуехмом диапазоне температуры.
Успешная попытка разработки методики и лабораторной установки [45] для оперативного регулирования температуры объектов в среде газообразного гелия была предпринята в рамках программы по подготовке необходимой диагностики и созданию стенда для исследования коротких образцов сверхпроводящих проводов масштаба ИТЭР. Первоначальным назначением установки была температурная калибровка термометров сопротивления типа ТВО-0,125 [49] в диапазоне 4,2 - 300 К. Установка обеспечивала: -автоматизированное регулирование, стабилизацию и измерение посредством эталонного термодатчика температуры калибруемых термометров; - быстрое изменение рабочей среды (жидкость, газ, вакуум), с целью имитации реальных условий работы термометров; - автоматизированный сбор, обработку и архивацию измерительной информации; - возможность оперативной замены наборов калибруемых термометров.
В её состав входят криостат 0120 мм, аналоговый стабилизатор температуры (ACT) и информационно-вычислительный комплекс (ИВК). Фотография криостата и капки, оснащённой системой крепления объекта регулирования приведена на рис. 1.12. Калибруемые термометры размещаются в отверстиях сменного медного диска (рис. 1.13.), закрепляемого на штатном месте системы крепления объекта регулирования (рис. 1.14). Установка имеет три режима работы, определяемых средой, в которой находится образец: жидкий и газообразный гелий или вакуум до 10 Тор. Рис. 1.12. Криостат 0120 мм и капка с системой крепления объекта регулирования. Для автоматизированного регулирования и стабилизации температуры медного диска был разработан ACT, состоявший из усилителя напряжения (У), сумматора (С), интегратора (И), программируемого источника опорного напряжения (ПИОН), усилителя мощности (УМ) и источника постоянного тока (ИНГ) на диапазон 0-250 мкА.
Контроль температуры производится сменным эталонным термодатчиком (ТД), установленным в отверстии медного диска. Тип и погрешность измерения температуры эталонного датчика определяется требованиями к условиям калибровки. Питание эталонного и калибруемых датчиков осуществляется источником постоянного тока (ИПТ). Для целей нормализации выходного сигнала эталонного термодатчика используется усилитель напряжения (У), вход которого соединен с первым входом сумматора (С), ко второму входу которого подключен программируемый источник опорного напряжения (ПИОН). Интегратор, предназначенный для повышения темпа регулирования температуры, размещен между выходом сумматора и входом усилителя мощности, который через диоды управляет работой нагревателей Ній Н2.
Следует отметить, что описываемая установка была одной из первых в НИИЭФА, оснащённых многоканальной прецизионной информационно-измерительной системой (ИИС), связанной через специализированное устройство согласования (УС) с микроЭВМ "Электроника ДЗ-28" — одним из первых компьютеров, аналогичным по мощности современным программируемым калькуляторам.
Разработанные при создании установки аппаратные подходы и программные алгоритмы оказались настолько удачными, что практически без изменений были использованы при многократных заменах электронного оборудования и прикладных программных пакетов. В настоящее время ИИС данной установки входит в состав стендового программно-управляемого комплекса, построенного на базе современных электронных компонентов и компьютеров ЮМ PC, использующих прикладной программный пакет LabView CVI.
В большинстве применений установки в качестве эталонного термометра использовался угольный термометр сопротивления типа ТСУ-І (ПИ2.821.040ТУ) с рабочим температурным диапазоном 4,2-300 К и погрешностью 0,1 %. В целях автоматизации процесса измерения и получения результатов непосредственно в значениях температуры была изучена возможность преобразования табличных калибровочных зависимостей термометров ТСУ-1 с помощью аналитических выражений, разрешённых относительно искомой величины. Полученные результаты приведены в таблице 1.1.
Система регулирования температуры образца типа «кабель-в-оболочке» с циркуляционным охлаждением
В экспериментальной физике низких температур широко используются установки для термостабилизации образцов за счёт теплового контакта с элементами установки, обладающими значительной теплоёмкой массой (например, с массивными медными блоками). При испытаниях образцов обмоточных сверхпроводников встают иные задачи: 1) Моделирование термодинамических условий провода в реальных обмотках, включая имитацию динамических процессов теплообмена образца с конструкционными и охлаждающими элементами обмотки. В частности, для проводов типа «кабель-в-оболочке» важно обеспечить оперативное регулирование и стабилизацию на заданных уровнях температуры хладагента в охлаждающем канале исследуемого участка образца. Диапазон регулирования - 4,2 - 30 К для низкотемпературных сверхпроводников и 4,2 - 120 К для высокотемпературных.
2) Теплоизоляция от жидкого гелия и регулирование температуры исследуемого участка образца для случаев, когда требуется обеспечить пропускание испытательного тока и размещение образца в испытательном магнитном поле с помощью токоподводов, контактных соединений с образцом и сверхпроводящих магнитов, охлаждаемых погружением в жидий гелий.
Ниобий-титановый сверхпроводящий провод с циркуляционным охлаждением, поставленный на испытания фирмой BWXT. Образец (рис. 1.18), изготовленный BWXT, представлял собой два трёхметровых отрезка провода, объединённых контактным соединением и оборудованных медными наконечниками и штуцерами для подсоединения к источнику тока и криогенной системе соответственно.
Программа испытаний образца предусматривала измерение температурных зависимостей сверхпроводящих параметров провода во внешнем магнитном поле. Для выполнения программы была сконструирована и изготовлена установка, в состав которой входили дипольные магниты и соленоиды с захолаживанием посредством погружения в жидкий гелий (Рис. 1.19). Задача ставилась как регулирование в диапазоне 4,5 - 30 К температуры примерно 450 мм длины образца, расположенной в зоне однородного поля дипольного магнита.
Погружной тип захолаживания магнитной системы установки обуславливал размещение образца в объёме жидкого гелия, что плохо сочеталось с циркуляционным охлаждением образца и необходимостью регулировать его температуру.
Использование вакуумного объёма и тепловых экранов для тепловой изоляции образца от жидкого гелия было практически невозможным из-за ограниченных геометрических размеров зоны размещения образца. Поэтому в соответствии с вышеописанным подходом была разработана конструкция, обеспечивающая «активную» тепловую защиту образца от жидкого гелия и регулирование его температуры в требуемом диапазоне.
Удаление жидкого гелия из зазоров между кожухом и образцом производится подачей мощности на резистивный нагреватель, расположенный в зазоре. Образовавшийся слой газообразного гелия обеспечивает дополнительную теплоизоляцию. Второй резистивный нагреватель регулирует температуру потока однофазного гелия в диапазоне 4,5-30 К. Управление работой нагревателей производится стабилизатором температуры по показаниям термометров, расположенных на проводе и в потоке однофазного гелия. Охлаждение образца происходит за счёт теплопроводности через медные наконечники проводов, находящихся в жидком гелии.
Второй резистивный нагреватель располагается внутри входной трубки охлаждения образца в потоке однофазного гелия, регулируя его температуру в диапазоне 4,5-30 К. Уровень подаваемой мощности контролируется по показаниям термометра, расположенного в потоке однофазного гелия. Управление работой нагревателей производится стабилизатором температуры по показаниям термометров, расположенных на проводе и в потоке однофазного і елия. Охлаждение образца происходит за счёт теплопроводности через медные наконечники проводов, находящихся в жидком гелии. Расчёты показали, что перепад температуры по 450 мм длины образца, находящегося в зоне однородного поля не должен превышать 0,1 К.
Измерение температуры и других параметров, характеризующих образец и условия испытаний, производится датчиками, соединенными с ИИС на базе электронных приборов и компьютеров IBM PC, использующих прикладной программный пакет Lab View CVI. Используемые термометры типа ТВО-0,125 были откалиброваны на вышеописанной установке в диапазоне 4,2 — 300 К. Дополнительная калибровка термометров по магнитному полю в диапазоне 0 -4,5 Тл была проведена непосредственно в ходе измерений при температуре жидкого гелия (нагреватели выключены, однофазный гелий в охлаждающий канал не подаётся).
Результаты эксплуатации показали возможность быстрого регулирования температуры образца в диапазоне 4,26 — 120 К. Неоднородность температуры по длине исследуемого участка обмоточного сверхпроводника составила 0,1 К в диапазоне 4,26-9 К и 0,05 К в диапазоне 9-120 К. Недостатком системы является относительно низкая ( 0,2 К), но достаточная для целей эксперимента точность стабилизации температуры на определённом уровне, связанная с теплофизическими свойствами гелия и ограничениями автоматизированной системы регулирования.
Технические характеристики Международного испытательного стенда JAERI
Основными «инструментами» для выполнения поставленных задач стали международный испытательный стенд и МКЦС, созданные совместными усилиями участников проекта ИТЭР на территории Японского исследовательского института атомной энергии (английская транскрипция JAERI). Создание подобного стенда и успешные испытания МКЦС совместно с американской Катушкой-Вставкой с Проводником Центрального Соленоида (КВПЦС) [20] были прорывом в область совершенно новых технологий и практического применения сверхпроводников, доказав возможность практической реализации проекта ИТЭР. Показанные на рис. 2.1 максимальные параметры МКЦС (4,5 К; 46 кА; 13Т) были повторены российской КВПТО, испытания которой завершали основную часть Международной Программы по созданию и испытаниям модельных катушек ИТЭР [17].
Изготовленная в России КВПТО представляла собой однослойный соленоид (рис. 2.4), предназначенный для испытаний в МКЦС полномасштабного ниобий-оловянного провода тороидальной обмотки ИТЭР в рабочих условиях (46 кА в магнитном поле 13 Тл), соответствующих зоне максимального поля, расположенной в области внутренней опоры тороидальных катушек ИТЭР.
Технические характеристики 1 т изготовленных стрендов были проверены в ходе ряда испытаний и полностью отвечали требованиям проекта ИТЭР: критическая плотность тока jc по сверхпроводнику при Т=4,2 К в поле 12 Тл должна быть больше 550 A/mm ; коэффициент остаточного сопротивления RRR 100; гистерезисные потери за цикл изменения поля ± 3 Тл 300 mJ/cm3 В таблице 2.3. приведены усреднённые технические характеристики стрендов КВПТО. Все стренды были покрыты хромом толщиной 2 мкм с использованием производственной линии, сооружённой во ВНИИКП и аттестованной по программе ИТЭР [15]. Основной целью упомянутой выше Программы по созданию и испытаниям модельных катушек ИТЭР [17] было получение необходимого опыта в использовании материалов, технологий, производственных мощностей и методик обеспечения качества, предполагаемых к использованию при создании магнитной системы ИТЭР. С этой точки зрения общими для всех модельных катушек задачами испытаний были: - подтверждение Технических спецификаций модельных катушек путём моделирования реальных условий работы основных конструктивных элехментов электромагнитной системы (ЭМС) ИТЭР (обмоточный сверхпроводник, силовые структуры и т.п.); - определение максимальных рабочих параметров модельных катушек, путём превышения, если возможно, предполагаемых технических характеристик ЭМС ИТЭР; - проверка технических параметров и математического аппарата, использованных при разработке конструкции ЭМС ИТЭР [8]; - подтверждение предлагаемых решений по техническому совершенствованию и удешевлению конструкции ЭМС ИТЭР; - оценка эксплуатационных качеств криогенных и электрических коммуникаций, контактов, токовводов, высоковольтные развязок и т.п. - оценка качества изготовления и применимости использованных технологий при изготовлении ЭМС ИТЭР.
В рамках общих задач КВПТО была предназначена для проведения испытаний провода TF1 тороидальной обмотки ИТЭР и должна была обеспечить: -проведение испытаний провода TF1 на постоянном токе в режимах по возможности близких к максимальным рабочим условиям тороидальной обмотки ИТЭР по току, магнитному полю, температуре и механическим напряжениям, возникающих в области расположения внутренних опор тороидальных катушек ИТЭР; -определение параметров провода TF1, включая гидравлические характеристики, температуру деления тока, характеристики защитного вывода, запас устойчивости и величину потерь на переменном токе. - проведение циклических испытаний (до 10 000 циклов), моделирующих нагрузки СП TF1 вследствие воздействия быстроизменяющегося полоидального поля ЭМС ИТЭР.
Неразрушающий контроль (НК) целостности и соответствия техническим спецификациям основных конструктивных элементов КВПТО
Одной из программных задач проекта ИТЭР является обеспечение работоспособности и надежности систем реактора. Важную роль в решении этой задачи играет Неразрушающий Контроль (НК). Задачи, которые решает НК, различны, но имеют общую цель - обеспечение долгосрочной, надежной, бесперебойной работы систем реактора. В проекте предусматривается несколько стадий НК ЭМС ИТЭР: 1). Производственный контроль (входной, операционный и приемочный), который включает в себя контроль на стадии изготовления обмоток ЭМС ИТЭР и тесно связан с проверкой качества материалов и технологий изготовления конструктивных элементов и узлов. 2). Эксплуатационный контроль, посредством которого на стадии работающего реактора производится контроль состояния основных элементов на предмет накопления усталостных напряжений или других внешних и внутренних факторов, потенциально ответственных за развитие дефектов.
Создание комплексной системы НК заключается в освоении и внедрении методов и средств НК, классифицируемых ГОСТ 18353-79, для обнаружения дефектов при разработке, изготовлении и эксплуатации систем проекта.
Согласно ГОСТ 18353-79 в основу классификации методов НК положены общность использования физических процессов взаимодействия поля или вещества с объектом контроля, характер взаимодействия, первичный информативный параметр поля или вещества, который используется для характеристики контролируемого объекта и способ получения первичной информации — конкретный тип датчика или вещества, используемого для измерения и фиксации упомянутого информативного параметра. С точки зрения физических явлений выделено 9 видов НК: магнитный; электрический; вихретоковый; радиоволновый; тепловой; оптический; радиационный; акустический; проникающими веществами.
Элементы комплексной системы НК ЭМС ИТЭР уже созданы в НИИЭФА им. Д.В.Ефремова и были использованы в ходе послеиспытательного контроля КВПТО. На основе анализа конструкторской документации и технических спецификаций, а также результатов испытаний КВПТО на стенде JAERI в Японии и результатов визуального контроля были определены конструктивные элементы, целостность и взаиморасположение которых могли быть нарушены в ходе испытаний. К таковым были отнесены, прежде всего: -Кабель (скрутка) и его положение относительно оболочки провода КВПТО в зоне сильного поля. Измерению подлежал зазор, предположительно появившийся в результате перемещения стренд с током под действием магнитного поля. - Оболочка провода КВПТО и изменение её положения относительно силового каркаса в центральной и буферных зонах из-за возможного разрушения изоляции между оболочкой и силовым каркасом. - Элементы силового крепления проводника в центральной зоне обмотки КВПТО и в зоне контактов с точки зрения возможной пластической деформации, связанной с подвижками провода КВПТО под действием электромагнитных сил. - Термометры с точки зрения их положения относительно провода и силового каркаса КВПТО. Данный пункт был особенно важен для анализа причин снижения критических характеристик стрендов КВПТО (п.2.5.6-4).
На основе имеющегося в НИИЭФА опыта следующие методики были применены для выполнения неразрушающего контроля КВПТО: Радиационная интроскопия с использованием имеющегося в НИИЭФА интроскопического комплекса (рис. 3.2.). Исследуемый объект послойно просвечивается веерообразным пучком тормозного излучения. В качестве приёмника используется линейка сцинтилляционных детекторов. Промышленной радиография локальных зон КВПТО с использованием переносного рентгеновского аппарата, компьютерной техники и специально разработанных программ, позволяющих получить электронные версии рентгенографических снимков. В основе методики получение на радиографической пленке видимого (теневого) одномерного изображения внутренней структуры объекта, просвечиваемого ионизирующим излучением.
С использованием данной методики были получены рентгенограммы локальных областей центральной и буферной зон КВПТО (Рис. 3.6.), позволивших оценить взаиморасположение оболочки провода и силового каркаса КВПТО, целостность и толщину витковой изоляции и т.п. Переносной рентгеновский аппарат и пример рентгенограммы положения провода в канавке силового каркаса КВПТО. (На снимке: 1 - силовой каркас, 2 -витковая изоляция провода, 3 - титановый кожух провода, 4 - ниобий-оловянный кабель).
Ультразвуковая толщинометрия с использованием прибора CL 304 фирмы "Krautkremer manufacture" с рабочей частотой 5-20 MHz, использованного ранее в ходе приёмочных испытаний основных материалов провода и контактных соединений КВПТО. Методом ультразвуковой дефектоскопии (толщинометрии) произведена оценка целостности изоляции между оболочкой и силовым каркасом КВПТО локальных областей центральной и буферной зон КВПТО. Результаты НК подтвердили целостность и соответствие техническим спецификациям основных конструктивных элементов КВПТО. В частности: Не были обнаружены нарушения целостности и изменения взаиморасположения составных частей КВПТО после испытаний в Японии. Изоляция между оболочкой провода и канавкой каркаса КВПТО осталась однородной и имела толщину 2,5-3 мм. При разрешающей способности оборудования 1 мм не были обнаружены пузыри, каверны, поры и другие дефекты. При разрешающей способности оборудования 0,2 мм не были обнаружены протяжённые трещины и т.п. Разрешающая способность методик НК не позволила определить положение кабеля (скрутки) относительно оболочки провода КВПТО. Для изучения данного вопроса были разработаны и применены на практике методики, основанные на последовательной разборке КВПТО, включая секционирование обмотки и подготовку поперечных сечений обмоточного сверхпроводника.
