Введение к работе
Актуальность работы.
Ключевым этапом на пути освоения термоядерной энергетики явится создание Международного экспериментального реактора-токамака ИТЭР, к строительству которого в рамках межправительственных соглашений в 2007 г. приступили ведущие научные и промышленные организации из стран Европейского сообщества, Японии, России, США, Китая, Индии, Южной Кореи. В ИТЭР, как и в будущих реакторах для промышленных электростанций, формирование и удержание плазмы обеспечивает магнитное поле с индукцией до 13 Т, генерируемое электромагнитной системой (ЭМС). Все обмотки ЭМС ИТЭР, для снижения омических потерь, должны быть сверхпроводящими и способными работать под воздействием нестационарного магнитного поля, изменяющегося во времени со скоростью до 2 Т/с.
Конструкция ЭМС ИТЭР учитывает опыт создания первого в мире сверхпроводящего токамака Т-7, разработанного РНЦ «Курчатовский институт» и последовавшего за ним токамака Т-15, зарубежный опыт разработки сверхпроводниковых ЭМС экспериментальных токамаков: международной исследовательской программы LCT, французского токамака TOR SUPRA и модельных катушек полоидального поля, японской DPC и французской POLO, первых проектных разработок токамаков нового поколения (отечественного ОТР и международного INTOR).
На стадии эскизного (1987-1992) и технического (1993-2001) проектирования ИТЭР были разработаны конструкция и опытно-промышленная технология обмоточных сверхпроводников ИТЭР на рабочие токи 40-70 кА. Были изготовлены и испытаны на установке SULTAN в Швейцарии многочисленные короткие и, в модельных катушках ИТЭР с запасом энергии 640 МДж, длинномерные образцы проводников ИТЭР. Их испытания показали пригодность разработанных конструкций и технологий
для применения в ИТЭР, а также выявили ряд эффектов, нуждавшихся в объяснении и учете в дальнейших контрольно-испытательных и проектных работах на стадии рабочего проектирования и строительства ИТЭР в соответствии с системой контроля качества по требованиям атомной промышленности. На этой стадии также особую актуальность приобретает обобщение данных испытаний образцов проводников ИТЭР и разработка, на этой основе, инженерной методики расчета потерь энергии в сильноточных обмоточных сверхпроводниках при воздействии нестационарных магнитных полей с учетом изменения свойств проводников при циклической работе в реакторе.
Целью работы является усовершенствование методик квалификационных и контрольных испытаний коротких образцов сильноточных обмоточных сверхпроводников применяемого в ИТЭР типа, а также методов расчета потерь энергии в таких проводниках для применения на стадии рабочего проектирования ИТЭР и развертывания массового производства его обмоточных проводников.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработка методики численного моделирования поведения образцов сильноточных многожильных проводов типа «кабель-в-оболочке» в условиях стендовых испытаний по измерению переходных вольт-амперных (ВАХ) и вольт-температурных (ВТХ) характеристик.
-
Разработка методик расчета и интерпретации аномального поведения коротких образцов сильноточных многожильных проводов типа «кабель-в-оболочке» при измерениях ВАХ и ВТХ.
-
Расчетно-теоретическое обоснование методики измерения характеристик одиночного стренда в многожильном проводе типа «кабель-в-оболочке». Создание испытательного стенда, разработка и апробация методики обработки и интерпретации результатов испытаний.
4'
4. Разработка полуэмпирического метода расчета потерь энергии в обмоточных проводниках ИТЭР с учетом изменения их свойств при циклической работе реактора. Реализация метода в виде численного кода. Научная новизна и положения, выносимые на защиту
-
Разработана методика численного моделирования вольт-амперных (ВАХ) и вольт-температурных (ВТХ) характеристик коротких образцов сильноточных (40-70 кА) многожильных проводов типа «кабель-в-оболочке» при испытании их токонесущей способности на постоянном токе, исходя из характеристик одиночных стренд, конструктивных особенностей кабеля и его контактных соединений. Методика применена и верифицирована при анализе результатов испытаний коротких образцов Nb3Sn полномасштабного проводника ИТЭР на установке SULTAN (CRPP-PSI, Швейцария)
-
Впервые предложена методика измерения переходных характеристик одиночных сверхпроводящих стрендов в составе многожильных обмоточных проводов типа «кабель-в-оболочке» без извлечения стренда из кабеля. Методика позволяет определять влияние технологического процесса изготовления кабеля (скрутки, заключения в оболочку, обжатия) и циклического нагружения кабеля электромагнитными силами на характеристики отдельных стрендов в кабеле. Создана стендовая установка для проведения испытаний образцов кабелей с использованием предложенной методики. Проведены исследования образца кабеля, извлеченного из обмотки модельной катушки-вставки с проводником тороидального поля (КВПТО) после ее испытания в составе модельной катушки ИТЭР. (JAERI, Нака, Япония).
-
Разработана методика и реализующие ее компьютерные коды для интерпретации результатов испытаний и выявления причин
аномального поведения NbTi обмоточных проводов типа «кабель-в-оболочке», наблюдавшегося при испытаниях образцов NbTi проводников ИТЭР на стенде SULTAN в CRPP-PSI, Швейцария. С помощью методики получили объяснение эффекты периодических колебаний ВАХ и ВТХ (причина - малые колебания температуры в системе криообеспечения измерительного стенда) и «внезапного перехода» кабеля в нормальное состояние. Показано, что анализ условий «внезапного перехода» должен быть включен в состав необходимых работ по выбору конструкции сильноточных NbTi проводников. 4. Разработана инженерная методика расчета потерь электромагнитной энергии в обмоточных сверхпроводниках типа «кабель-в-оболочке» для крупных магнитных систем масштаба ЭМС ИТЭР. Методика предусматривает введение «эффективной постоянной времени» т как многопараметрической функции, описывающей зависимость тепловыделений в проводнике от «истории» кабеля (длительности его работы под циклической нагрузкой), текущего механического состояния (нагрузки) кабеля и мгновенной скорости изменения магнитного поля в кабеле. Формулы для вычисления т верифицированы на массиве экспериментальных данных, полученных в ходе работ по Nb3Sn и NbTi проводникам ИТЭР. На основе разработанной методики создан численный код, применяемый при уточняющих расчетах потерь электромагнитной энергии в проводниках магнитной системы ИТЭР.
Практическая ценность
Предложенные методики численного моделирования характеристик образцов сильноточных проводов типа «кабель-в-оболочке» были использованы для анализа результатов измерений и интерпретации аномального поведения полномасштабных проводников ИТЭР при проведении испытаний на установке SULTAN.
Методика измерения характеристик одиночного стренда без извлечения его из кабеля может применяться для контроля качества выпускаемых проводников и исследований причин деградации сверхпроводящих свойств сильноточных Nb3Sn кабелей.
Численный код, реализующий предложенную инженерную методику расчета потерь электромагнитной энергии в обмоточных сверхпроводниках типа «кабель-в-оболочке», является основным рабочим кодом, используемым в настоящее время в проекте ИТЭР для уточняющих расчетов и анализа тепловыделений в кабелях ЭМС ИТЭР.
Разработанные методы анализа обмоточных сверхпроводников типа «кабель-в-оболочке» могут быть использованы при проектировании будущих реакторов-токамаков и сверхпроводящих магнитных систем других устройств.
Достоверность полученных результатов
Представленные методики и результаты расчетов верифицированы во время экспериментов на образцах кабелей ИТЭР, испытанных на установках SULTAN (CRPP-PSI, Швейцария), ЛИС-12 (ФГУП «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова»), а также в модельных катушках ИТЭР.
Личный вклад автора. Приведенные в работе результаты получены автором лично, либо при его активном участии в составе исследовательской группы. На всех этапах исследований автор внес определяющий вклад в разработку методик, обработку и анализ результатов.
Апробация результатов и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на V международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (ИПТР) в 1990 г.; по магнитной технологии (МТ-12, 1991 г., МТ-17, 2000 г., МТ-19, 2005 г.); по проблемам прикладной сверхпроводимости (ASC-2002, ASC-2004, ASC-2006, ASC-2008), симпозиуме по термоядерной технологиям (SOFT-23, 2004 г.);
конференции по криогенным материалам (1СМС, 1999 г.); на технических совещаниях рабочих групп ИТЭР в период с 1998 по 2005 г.г. Результаты диссертации опубликованы в 25 работах, из них 18 - в ведущих рецензируемых научных журналах.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 140 машинописных листах, состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 39 рисунков и 5 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 63 наименований.
Похожие диссертации на Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования в обоснование проектирования обмоточных сверхпроводников для магнитных систем термоядерных установок
