Введение к работе
Работа посвящена исследованию методов повышения стабильности низкотемпературных сверхпроводниковых магнитов (СМ), основанных на введении в их состав веществ, обладающих аномально высокой теплоемкостью при гелиевых температурах - высокотеплоемких добавок (ВД).
Актуальность темы: Постоянно растущие требования к надежности СМ требуют новых подходов к повышению их стабильности. Малая теплоемкость практически всех конструкционных материалов при температурах жидкого гелия, а также ограниченный, зависящий от транспортного тока и магнитного поля критический запас сверхпроводника по температуре (~1К), приводят к тому, что даже небольшие тепловые возмущения электромагнитного или механического происхождения могут приводить к преждевременному переходу СМ в нормальное состояние. Типичными источниками таких возмущений являются электрические потери в переменных режимах работы, движение витков, растрескивание связующего компаунда, скачки магнитного потока в проводнике и т.д. Традиционно эту проблему решают, закладывая дополнительный запас по температуре (т.е. наращивая количество сверхпроводника), что, в свою очередь, приводит к росту габаритов, массы и стоимости магнита. Введение в обмотку дополнительных каналов для непосредственного охлаждения проводника жидким гелием снижает как рабочую плотность тока, так и механическую прочность СМ. Альтернативой может стать увеличение теплоемкости обмотки, достигаемое за счет введения в ее состав нескольких объемных % веществ, теплоемкость которых в интервале температур (4-10) К на 2-3 порядка превосходит теплоемкость обычных конструкционных материалов СМ.
Основные задачи: С 2003 г. в Курчатовском институте совместно с ВНИИНМ им. академика А.А. Бочвара проводятся исследования, направленные на разработку различных методов внесения ВД в состав низкотемпературных СМ. Пройден путь от т.н. внешнего легирования (при котором порошки ВД вносятся в межвитковое пространство плотных обмоток в виде мелкодисперсных наполнителей эпоксидной смолы /1/), к «промежуточному» (медные провода с 1 или не-
сколькими ВД жилами вводятся в состав токонесущих элементов совместно со стандартными композитными сверхпроводниками 121) и внутреннему легированию (ВД жилы вводятся непосредственно в состав композитного сверхпроводника /3/). Эффект от введения ВД проверялся в многочисленных сериях экспериментов по определению стабильности: образцы с ВД (проводники, токонесущие элементы, модельные обмотки) и идентичные им контрольные образцы без добавок подвергались воздействию электромагнитных возмущений различной продолжительности и интенсивности, создаваемых разрядом конденсатора на возмущающие медные катушки. Минимальная энергия конденсаторной батареи, достаточная для перевода образца в нормальное состояние (критическая энергия возмущения) экспериментально подбиралась методом «проб и ошибок» для различных значений транспортного тока в образцах с добавками и без них.
Прямое сопоставление критических значений энергии конденсатора не дает информации о степени использования добавленной теплоемкости при возмущениях различной продолжительности, и также не позволяет сравнивать эффективность различных методов внесения добавок ни между собой, ни с другими способами повышения стабильности СМ (например, с непосредственным охлаждением сверхпроводника жидким гелием). Основной задачей диссертации является разработка численно-аналитических методов пересчета экспериментальных критических энергий возмущений в тепловыделения непосредственно в образцах, сводящаяся к расчету электрических потерь в композитных сверхпроводниках, токонесущих элементах и модельных соленоидах. Последующее сравнение с теоретической теплопоглощающей способностью образцов позволяло судить о степени использования добавленной теплоемкости в условиях каждого эксперимента.
Цель работы:
- Разработка численно-аналитических методов определения критических энергий низкотемпературных СМ и коротких образцов сверхпроводников (с ВД и без них), подвергающихся воздействию переменных магнитных полей различной конфигурации и ориентации по отношению к образцам.
- Применение разработанных методик для пересчета измеренных экспериментально критических значений энергии возмущений в непосредственные тепло-
выделения в образцах, для последующего сравнения с их максимально теплопо-глощающей способностью и составления выводов о степени использования добавленной теплоемкости.
- Анализ и сопоставление эффективности различных методов внесения ВД в состав низкотемпературных сверхпроводниковых магнитов по отношению к смоделированным возмущениям, продолжительность и интенсивность которых соответствует реальным механическим и электромагнитным процессам, происходящим в обмотках СМ.
Научная новизна: Несмотря на свою очевидность, метод энталытийной стабилизации никем не был исследован в полной мере. Некоторые научные группы высказывали предположения о возможности использования высокотеплоемких соединений в качестве стабилизаторов СМ. Однако авторы либо ограничивались только предположениями /4,5/, либо сталкивались с экспериментальной проблемой неполного использования добавленной теплоемкости (по причине недостаточной скорости температурной диффузии от сверхпроводника к добавке за время возмущения), и, как следствие - непригодностью метода для демпфирования кратковременных тепловых импульсов /б/.Так или иначе, все попытки исследования влияния ВД на стабильность СМ оставались незавершенными и не имели выходов к практическому внедрению.
Проведенные исследования, основные этапы которых изложены в диссертации, направлены на поиск оптимальных методов внесения ВД в состав СМ. В настоящее время ведутся работы, направленные на получение опытно-промышленных партий NbTi и Nb3Sn сверхпроводников с внутренним легированием ВД. Подобные всесторонние (экспериментальные и расчетные) разработки ни в России, ни за рубежом на сегодняшний день не проводятся.
Достоверность полученных результатов: Опыты по определению стабильности носили сравнительный характер - всегда присутствовал контрольный образец (проводник, обмотка), идентичный легированному, но не содержащий ВД. Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных для контрольного образца свидетельствовало о верном выборе расчетной методики и сводило ошибку в расчетах к экспериментальной погрешности.
Практическая ценность: Разработанные численно-аналитические методы определения стабильности модельных СМ и коротких образцов сверхпроводящих композитных проводов на основе NbTi и M^Sn с внутренним и «промежуточным» легированием ВД позволили существенно углубить степень понимания полученных результатов.
Непосредственное сравнение экспериментальных критических энергий возмущений давало возможность лишь констатировать, во сколько раз возросла стабильность того или иного образца за счет введения добавки в условиях только этого конкретного эксперимента. Более того, в некоторых экспериментах прямое сравнение критических энергий R-L-C контура было просто невозможным из-за того, что изготовленные образцы различались не только наличием либо отсутствием добавки, но и другими физическими свойствами (например, комбинированные NbTi сверхпроводники с «промежуточным» легированием содержали различное количество меди различной чистоты). Данные о непосредственных тепловыделениях в образцах с ВД и без них, полученные с помощью разработанных компьютерных кодов, уже позволяли:
судить о степени использования добавленной теплоемкости при возмущениях различной продолжительности и интенсивности;
непосредственно сравнивать эффективность различных методов внесения ВД в состав магнитов - как друг с другом, так и с другими методами повышения стабильности СМ, например за счет непосредственного контакта сверхпроводника с хладагентом;
- давать рекомендации к дальнейшему совершенствованию технологии внесения добавок.
Результаты исследований могут иметь широкое практическое применение: увеличение критических энергий СМ (как при внешнем, так и при внутреннем легировании ВД) позволит повысить рабочую плотность тока в обмотке СМ без снижения надежности его работы. Повышенная термомагнитная устойчивость проводов с внутренним легированием может решить проблему коллективных скачков магнитного потока в проводниках с высокими критическими токами (пример - многочисленные публикации о недостаточной термомагнитной устой-
чивости Nb3Sn сверхпроводников, разрабатываемых для модернизации поворотных и фокусирующих магнитов Большого адронного коллайдера - программа «LARP» /7,8/). Как показывают оценки, повышение стабильности СМ компенсирует стоимость добавок и незначительное усложнение процесса изготовления теп-лостабилизированных проводников и обмоток.
Основные положения, выносимые на защиту:
Численно-аналитическая методика расчета тепловыделений в модельных СМ, намотанных из стандартных NbTi сверхпроводников с внешним легированием 5 об.% ВД Gd202S и без него, подвергающихся импульсному воздействию переменного магнитного поля различной длительности и интенсивности, и результаты, полученные с ее помощью из экспериментальных данных.
Результаты исследования влияния метода внешнего легирования несколькими об.% ВД (CeCu6, HoCu2, Gd202S) на устойчивость сверхпроводящего состояния в NbTi обмотках из стандартных композитных сверхпроводников и кабелей резер-фордовского типа по отношению к максимально допустимым скоростям изменения собственного магнитного поля, полученные с помощью моделирования тепловых и электрических процессов и последующего сравнения с экспериментальными данными.
Численно-аналитическая методика расчета тепловыделений в коротких образцах комбинированных NbTi и Nb3Sn сверхпроводников с «промежуточным» и внутренним легированием различными ВД (CeCu6, HoCu2, PrB6, СеА12, Gd202S), вызванных импульсным воздействием продольных электромагнитных возмущений (по длительности и энергиям соответствующих механотермическим), и результаты, полученные с ее помощью из экспериментальных данных.
Результаты исследования термомагнитной стабильности NbTi и Nb3Sn сверхпроводников с внутренним легированием 5 - 7 об. % ВД Gd202S и РгВ6 (близких по конструкции к проводам для обмоток Международного термоядерного реактора ИТЭР).
Результаты сравнительного исследования стабильности модельных магнитов из NbTi композитных проводов томографического типа с внутренним легированием 2 об. % ВД Gd203 и без добавок.
6. Анализ эффективности различных методов внесения ВД в состав магнитов и их сравнение между собой и с непосредственным охлаждением сверхпроводника жидким гелием. Эквивалентность использования ВД увеличению критического температурного запаса СМ.
Апробация работы: Основные результаты работы были представлены на: конференциях США по прикладной сверхпроводимости (IEEE Transactions on Applied Superconductivity) 2005, 2006 гг.; конференции ИСФТТ РНЦ «КИ» по физике конденсированных сред и сверхпроводимости 2006; семинарах НИЦ «Курчатовский институт» по прикладной сверхпроводимости в 2007-2011 гг; 4-й всероссийской конференции по наноматериалам 2011г.
Публикации: Результаты исследований, изложенных в диссертации, опубликованы ВІЗ работах (10 из которых - в изданиях, рекомендуемых ВАК).
Структура и объём диссертации: Диссертация состоит из введения, литературного обзора, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 133 страницы, включая 58 рисунков, 19 таблиц и списка литературы из 57 наименований.
