Введение к работе
Актуальность работы. Сверхпроводящие электромагнитные системы (ЭМС) термоядерных реакторов-токамаков и сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН) являются двумя родственными направлениями крупномасштабного применения сверхпроводниковых технологий в электроэнергетике, дальнейшее развитие которых во многом определит облик энергетики будущего в сферах генерации и управления потоками электроэнергии.
Ключевым этапом на пути освоения термоядерной энергетики явится создание Международного экспериментального реактсра-токамака ИТЭР, к строительству которого в рамках межправительственных соглашений в 2007 г. приступают ведущие научные и промышленные организации из стран Европейского сообщества, Японии, России, США, Китая и Южной Кореи. В ИТЭР, как и в реакторах для промышленных электростанций, формирование и магнитное удержание термоядерной плазмы обеспечивает магнитное поле с индукцией до 13 Тл, генерируемое ЭМС. Все обмотки ЭМС ИТЭР для снижения омических потерь энергии необходимо должны быть сверхпроводящими и способными работать под воздействием нестационарного магнитного поля, изменяющегося во времени со скоростью до 0,5-1 Тл/с. В связи с этим конструкция ЭМС ИТЭР учитывает как опыт создания первого в мире сверхпроводящего токамака Т-7, разработанного в РНЦ «Курчатовский институт», и последовавшего за ним сверхпроводящего токамака Т-15, так и опыт предшествующих разработок СПИН с малыми потерями энергии при быстром изменении магнитного поля.
Создание сильного магнитного поля с помощью электромагнита или накопление в нем энергии неразрывно связано с необходимостью восприятия пондеромоторных сил, действующих на обмоточные проводники. Для сверхпроводящих ЭМС восприятие этих сил осложняется малой теплоемкостью конструкционных материалов при низких температурах. Тепловые возмущения плотностью даже в несколько мДж/см3 способны
вызвать локальный перегрев сверхпроводника выше критической температуры и переход обмотки в нормальное состояние. Разработка конструкции и технологии сверхпроводящих ЭМС с нестационарными магнитными полями и запасенной энергией в сотни и тысячи МДж, стабилизированных относительно этих возмущений, требуется как для ИТЭР, так и СПИН, способных работать в качестве регуляторов активно-реактивной мощности в электроэнергетических передающих линиях и системах для обеспечения надежного безаварийного снабжения потребителей качественной энергией, которое в условиях рыночной экономики становится і все более актуальным.
Целью работы является разработка принципов построения конструкции и
технологии сверхпроводящих сильноточных высоковольтных
электромагнитных систем со скоростями изменения магнитного поля в обмотках до 1-2Тл/с, их экспериментальная проверка на модельных, прототипных и головных образцах и доведение до уровня, позволяющего непосредственно приступить к рабочему проектированию и сооружению ЭМС термоядерного реактора ИТЭР и СПИН для применения в электроэнергетических сетях и системах.
Дія достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Теоретические и экспериментальные исследования в обоснование мер по обеспечению стабильности обмоточных сверхпроводников для СПИН и токамаков и уменьшению выделяющихся в них кооперативных потерь энергии.
-
Разработка конструкции и техіюлогии многоцелевых компаундированных соленоидов с нестационарными магнитными полями из сверхпроводников с внутренней стабилизацией; создание и проведение исследований головных образцов, включая ресурсные испытания.
-
Разработка и создание высоковольтных сильноточных криогенных токовводов и компонентов системы электроизоляции для СПИН и токамаков.
-
Проведение НИОКР по разработке и экспериментальной проверке конструкционных решений и технологий сверхпроводящих ЭМС, закладываемых в проект ИТЭР, в части создания и испытаний модельной катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР.
-
Расчетно-теоретические исследования по определению конфигураций ЭМС, обеспечивающих минимум суммарных капитальных затрат на сооружение СПИН как комплексного устройства, включая стоимость ЭМС, криостата и системы криообеспечения.
-
Разработка принципов построения и конфигурации СПИН для сетевых регуляторов активно-реактивной мощности энергоемкостью 30-1500 МДж и мощностью 10-120 МВт.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту 1. Впервые предложен принцип расчета распределения электрического поля и плотности токов в обмоточных сверхпроводниках, исходя из условий для напряженности электрического поля на границах сверхпроводник-матрица при предельном переходе к бесконечно тонким сверхпроводящим волокнам, с применением которого (а) впервые получено строгое (самосогласованное) решение задачи о потерях энергии в сверхпроводящих многоволоконных проводах (СМП) при переходе части волокон в резистивное состояние; (б) разработаны методы практического расчета потерь энергии в СМП с многослойной матрицей и проведен количественный анализ эффективности применения резистивных барьеров для снижения потерь энергии; (в) теоретически предсказано и экспериментально подтверждено влияние направлений и шагов скрутки на величину кооперативных потерь энергии в сверхпроводящих пропаянных кабелях.
-
Предложены принципы устранения деградации сверхпроводящих обмоток из-за неравномерности распределения токов по элементам обмоточных кабелей, разработаны расчетные методы и создана стендовая установка для испытаний пилотных образцов обмоточных сверхпроводников с целью выявления и предотвращения деградации ещё на стадии проектирования обмоток.
-
Выявлена причина и приняты меры по устранению деградации сверхпроводящих обмоточных кабелей с электрически изолированными друг от друга жилами; разработана конструкция и технология компаундированных обмоток СПИН, сохраняющих сверхпроводимость при скоростях изменения магнитного поля 1-2Тл/с и отличающихся минимальностью кооперативных потерь энергии в обмоточных кабелях.
-
Разработаны принципы построения конструкции и создан головной опытно-промышленный образец многоцелевого сверхпроводящего компаундированного соленоида с нестационарным магнитным полем и запасом энергии 12МДж, который по совокупности конструктивных признаков может быть отнесен к новому типу.
-
Впервые предложен и реализован при испытаниях проводника СПИН на 100 МДж метод исследования механического поведения сверхпроводящего кабеля внутри оболочки путем измерения распределения напряженности электрического поля на поверхности оболочки при приложении треугольных импульсов поперечного магнитного поля, позволяющий уточнить требования к необходимому запасу стабильности кабеля относительно тепловых возмущений, обусловленных механическими движениями жил кабеля.
-
Проведено исследование по выбору конструкции теплообменников токоведущих частей, разработан новый тип проходных изоляторов с газонаполненными электроизоляционными промежутками и освоен опытно-промышленный выпуск криогенных высоковольтных токовводов
на ток 2-S0 кА рабочее напряжение до 30 кВ для СПИН и токамаков.
-
Реализован как часть программы НИОКР в обоснование проектирования международного токамака ИТЭР проект Модельной катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР, в ходе выполнения которого получили экспериментальную проверку принципы построения конструкции и новые технологии, закладываемые в проект ЭМС ИТЭР.
-
Разработана методика оптимизации конфигурации обмоток для обеспечения наилучших технико-экономических характеристик СПИН как комплексных устройств с учетом и без учета ограничения на диаметр витков по условиям заводского изготовления и/или транспортировки СПИН, с применением которой обоснована концепция типового ряда СПИН для применения в электроэнергетических сетях, предусматривающая создание унифицированного многофункционального модуля СПИН энергоемкостью 30-60 МДж и составление СПИН энергоемкостью до 1500 МДж из таких типовых модулей. Впервые предложены и проанализированы специальные типы обмоток для применения в транспортабельных СПИН без внешних магнитных полей в виде системы коаксиальных активно экранированных цилиндрических катушек и «вытянутых» D-образных тороидальных катушек с дополнительными вложенными секциями.
Практическая ценность работы. Результаты проведенных НИОКР дают возможность приступить к участию в рабочем проектировании и сооружении ' ЭМС международного токамака ИТЭР, а также СПИН энергоемкостью вплоть до 1500 МДж для применения в электроэнергетических сетях и системах. Разработанные конструкции и технологии сверхпроводящих соленоидов с нестационарными магнитными полями, криогенные токовводы и технологическое оборудование пригодны для применения при создании широкого класса ЭМС других назначений с магнитными полями до 13 Тл в апертуре до 1 м на рабочий ток 2-80 кА и напряжение до 30 кВ.
Достоверность полученных результатов обеспечивается: « действующей во ФГУП «НИИЭФА им. Д.В.Ефремова» системой обеспечения качества;
* успешной эксплуатацией разработанных устройств на испытательных
стендах и в исследовательских установках;
сравнением результатов расчетов с данными экспериментальных
исследований;
« техническим контролем заказчика при сдаче-приемке договорных НИР и
ОКР, включая выполненные по международным контрактам и контрактам
ИТЭР.
Личный вклад автора. Приведенные в работе результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии в качестве ответственного исполнителя, начальника отдела сверхпроводящих магнитных систем, научного руководителя проектов СПИН, КВПТО, зарядного соленоида LDX и координатора НИОКР по магнитной системе ИТЭР в РФ.
Апробация результатов и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на Ї-VII международных конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов (ИПТР) в период с 1974 по 2002 гг.; по магнитной технологии (МТ-12, 1991 г., в СССР; МТ-15, 1997 г. в Китае; МТ-16, 1999 г., в США; МТ-17,2000 г., в Швейцарии); по Проблемам прикладной сверхпроводимости (ASC-2002 и ASC-2004, в США); на технических совещаниях Международных рабочих групп ИТЭР по проводнику и модельным катушкам ИТЭР в период с 1989 по 2003 гг.; на тематической международной конференции по криогенным материалам в 1998 г. в Университете Твенте, Голландия.
Основные результаты диссертации опубликованы в 51 работе, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
