DE2208812A1 - Supraleiterkabel und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Description

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DR. HANS ULRICH MAY

D 8 MÜNCHEN 2, OTTOSTRASSE la TELEGRAMME: MAYPATENT MONOHEN TELEFON CO8113 ββ3β82

S 4436.3 PG

München, den 24. Feb. 1972

CP 414/1042 Dr.H/rt

Commissariat ä I¹Energie Atomique, Paris, Frankreich Supraleiterkabel und Verfahren zur Herstellung derselben

Die Erfindung betrifft Supraleiterkabel für hohe Stromstärken, die für einen Betrieb in Gegenwart gleichbleibender oder veränderlicher Magnetfelder bestimmt sind und geringere elektrische Energieverluste und eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Kabel.

Bekanntlich müssen die supraleitenden Magnete von mit gepulstem Strom gespeisten Synchrotronen insbesondere mit Hilfe von Supraleiterkabeln hergestellt werden, die einen Strom von einigen tausend Ampere transportieren können, wobei diese hohen Stromstärken benutzt werden, um die Spannung an den Klemmen dieser Magnete auf einen annehmbaren Wert begrenzen zu können. In diesen Supraleiterspulen treten nun Energieverluste aus elektromagnetischen Ursachen auf, die sich aus der Veränderung des magnetischen Flusses im Supraleiter ergeben. Es ist ferner bekannt, daii es zur Verringerung dieser Verluste z'j'PckmUflifj int, ^ehr ferne Zupr lieiteradorn in der Größenordnung

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von einigen Mikron (um) Durchmesser zu verwenden. Außerdem sind diese Supraleiteradern nicht einzeln ausgebildet, sondern mehrere davon, größenordnungsmaßig einige Hundert, sind gemeinsam in einer Metallmatrix, im allgemeinen aus Kupfer oder Kupfer und Kupronickel, gezogen. Der mittlere spezifische Leitungswiderstand in Längsrichtung des Werkstoffs dieser Matrix ist im allgemeinen gering gewählt, da diese Matrix den Supraleiter für den Stromtransport überbrücken soll, wenn ein örtlicher oder nicht örtlicher Übergang zum Normalzustand auftritt. Die ursprünglich zur Achse der Matrix parallelen Supraleiteradern sind außerdem im Inneren derselben verdrillt, um sie bezüglich des äußeren Magnetfeldes zu versetzen, sodaß jede der Adern nacheinander die Lage der anderen Adern im Kabel einnimmt. Diese Versetzung ist jedoch nicht wirksam bezüglich des Magnetfeldes, das von den von den Supraleiteradern selbst transportierten Strömen erzeugt wird. Dieses Magnetfeld wird als Eigenfeld des aus der Gesamtheit der in der Metallmatrix gemeinsam gezogenen Supraleiteradern gebildeten Leiterelements bezeichnet.Da die Supraleiteradern eines Leiterelements gegeneinander nicht isoliert sind, fließen bei variablem Magnetfeld zwischen diesen Adern Ströme durch die Metallmatrix und innerhalb jedes Gangs der Verdrillung, und diese Ströme erzeugen Verluste, die man verringern, jedoch nicht annulieren kann, indem man die Ganghöhe der Verdrillung für die Supraleiteradern in ihrer Matrix verringert.

Um die Gefahr der Instabilität des Leiterelements sowie die zusätzlichen Verluste zu verringern, die mit der NichtVersetzung der Supraleiteradern bezüglich des Eigenfeldes des Leiterelements zusammenhängen, und um eine genügend geringe Ganghöhe der Verdrillung zu erzeugen, wurde man gezwungen, den Durchmesser der Leiterelemente auf höchstens einige Zehntelmillimeter zu begrenzen. Ein solches

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Leiterelement kann nur einen Strom von einigen zehn Ampere transportieren.

Um daher ein Kabel aufzubauen, das einige tausend Ampere transportieren kann, muß eine bestimmte Zahl dieser Leiterelemente mit einer vollkommenen Versetzung derselben vereinigt werden. Zu diesem Zweck kann die Vereinigung in einer Verflechtung oder bestimmten Verseilungen der Leiterelemente bestehen, wobei die Leiterelemente miteinander so verbunden werden, daß das Auftreten von Verlusten mechanischen Ursprungs infolge der Reibung zwischen Leitern unter der Wirkung gepulster Magnetkräfte vermieden und ein möglichst wenig verformbarer Gesamtleiter hergestellt wird. Dieser Zusammenhalt kann dadurch erhalten werden, daß die Gesamtheit der zuvor elektrisch gegeneinander isolierten Leiterelemente mit einem Isoliermaterial imprägniert wird. Überlegungen zu mechanischen Gesichtspunkten können jedoch beispielsweise dazu führen, einem isolierenden Imprägniermaterial als Bindemittel eine Metallegierung mit genügend tiefem Schmelzpunkt (höchstens 400 ⁰C) von der Art der Legierungen Indium-Zinn, Silber-Zinn, Blei-Zinn, vorzuziehen, um den Supraleiter bei der Zugabe dieses Materials im flüssigen oder pastenformigen Zustand nicht zu beschädigen. Leider kann man jedoch in diesem letzteren Fall die vereinigten Leiterelemente nicht zuvor elektrisch isolieren, da diese Metallegierungen die Isolierbeschichtung von Leiterelementen nicht benetzen und daher nicht an ihr haften. Wenn man dagegen die Leiterelemente nicht isoliert, kann man sie mittels einer Metalllegierung verbinden, jedoch -fließen in diesem Fall Ströme zwischen Leiterelementen durch die Verbindungslegierung hindurch. Es sei jedoch bemerkt, daß diese Ströme und die dadurch

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hervorgerufenen Verluste elektrischer Energie umso geringer sind, je kleiner der Gang der Versetzung des Kabels und je höher der spezifische Leitungswiderstand der Verbindungslegierung ist. Die untere Grenze des Ganges der Versetzung der Leiterelemente, die den fertigen Leiter bilden, beträgt jedoch praktisch einige Zentimeter, und der Leitungswiderstand von Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt, wie der Legierung Blei-Zinn, Indium-Zinn, übersteigt nicht einige 10 Ohm-Meter bei der Temperatur des flüssigen Heliums. Unter diesen Bedingungen zeigt die Berechnung, daß diese zusätzlichen Verluste bezüglich der im Supraleiter auftretenden Gesamtverluste erheblich sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Supraleiterkabel zu schaffen, das im Betrieb einem Magnetfeld unterworfen ist und aus einer Anordnung von aus mehreren Adern gebildeten Leiterelementen besteht und in dem die Verluste infolge Kreisströmen erheblich verringert und dessen mechanische Eigenschaften verbessert sind, sowie ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kabels zu schaffen.

Das; erfindungsgemäße Supraleiterkabel zeichnet sich dadurch aus, daß es eine Anordnung von Leiterelementen aufweist, die aus mehreren, in eine Matrix aus einem gut leitenden Metall eingebetteten Adereinheiten bestehen und mit einer Hülle aus einem Metall oder einer Metallegierung mit hohem elektrischen Leitungswiderständ beschichtet sind, wobei die Anordnung der Leiterelemente ohne Zwischenschaltung von Isoliermittel mit einer niedrig schmelzenden Metallegierung imprägniert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß

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das rait seiner Kupfermatrix versehene Leiterelement mit einer Schicht aus einem Metall oder einer Metallegierung mit hohem spezifischem Leitungswiderstand umhüllt wird.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Diese Hülle kann aus einem Metall oder einer Metallegierung bestehen, die wegen ihres hohen elektrischen Leitungswiderstandes den Widerstand für die ströme, die zwischen den Leiterelementen fließen, erhöht. Zu diesem Zweck wird

das Leiterelement beim Ziehen mit einer Hülle aus einer Legierung, wie einem Kupfer-Nickel oder einem rostfreien Stahl umhüllt, deren Schmelzpunkt und Härte genügend hoch sind, daß sich diese Materialien für den Arbeitsgang des Ziehens eignen, und deren spezifischer Leitungswiderstand über 10 ' Ohm-Meter bei tiefer Temperatur, insbesondere bei der des flüssigen Heliums, liegt. Auf diesen Arbeitsgang folgt die Festlegung (Konsolidierung) des fertigen Leiters, die mit Hilfe einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt vorgenommen wird, die an der das Leiterelement umhüllenden harten Legierung haftet. Nach Fertigstellung des Leiterelements hat die Hülle aus harter Legierung mit hohem elektrischem Leitungswiderstand eine Dicke von einigen zehn Mikron (um ) . Unter diesen Bedingungen sind die zusätzlichen Verluste um einen Faktor von 10, wenn nicht 100, entsprechend dem Wert des spezifischen Widerstands der Legierung oder des gewählten Metalls, verringert. Ein Querschnitt des mit einer harten Legierung mit hohem elektrischem Leitungswiderstand umhüllten Leiterelements ist in der Figur gezeigt.

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Im übrigen ermöglicht die Hülle aus harter Legierung oder hartem Metall unabhängig von ihrer Wirkung auf die erwähnten zusätzlichen Verluste eine Erhöhung der Zugfestigkeit des Leiterelements und allgemeiner eine Verbesserung seiner mechanischen Eigenschaften. Zu diesem Zweck kann die Hülle bei Supraleiterkabeln benutzt werden, deren Leiterelemente mit einem Isoliermittel beschichtet sind und die daher von den erwähnten zusätzlichen Verlusten frei sind, oder bei Supraleiterkabeln, die einem kontinuierlichen Magnetfeld unterworfen sind.

Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung einer nur als Beispiel angegebenen Ausführungsform. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügte einzige Figur, die ein Leiterelemer-' im Schnitt zeigt.

Das gezeigte Leiterelement weist mehrere Supraleiteradereinheiten 1, beispielsweise sieben, neunzehn, siebenundzwanzig oder einundsechzig , usw. auf, die von einer Metallmatrix 2 umgeben sind. Die Supraleiteradern können beispielsweise aus einem supraleitenden Material, wie der Legierung Niob-Zirkonium, Niob-Titan oder einer supraleitenden intermetallischen Verbindung, wie Niob-Zinn (Nb„-Sn) bestehen. Die Anordnung der Matrix 2 und der Adereinheiten wird mit einer Metallhülle 3 mit hohem elektrischem Leitungswiderstand und guter mechanischer Festigkeit beschichtet und anschließend im Inneren dieser Metallhülle 3 gemeinsam gezogen. Die Matrix 2 besteht aus einem im Normalzustand gut leitenden Metall und ermöglicht den Stromtransport bei einem örtlichen Übergang (Zusammenbruch) des Supraleiters. Sie kann beispielsweise aus reinem Kupfer bestehen, während die Metallhülle 3 beispielsweise aus rostfreiem Stahl oder aus Kupfer-Nickel besteht. Die so her-

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gestellten Leiterelemente werden anschließend durch Verseilen oder Verflechten vereinigt. Im letzteren Fall kann die Anordnung gepreßt werden, um ein flaches Kabel zu erhalten. Das so gebildete Supraleiterkabel wird schließlich mit einer Metallegierung mit niedrigem Schmelzpunkt imprägniert, die an der Metallhülle haftet und so die Spule verfestigt.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   "Unerfahren zur Herstellung eines Supraleiterkabels, das aus
   einer Anordnung von einem Magnetfeld zu unterwerfenden Leiterelementen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterelemente mit einer Schicht aus einem Metall oder einer Metallegierung mit hohem spezifischem elektrischem Leitungswiderstand umhüllt werdenr
2. 2. Supraleiterkabel, das insbesondere nach dem Verfahren des Anspruchs 1 hergestellt ist, gekennzeichnet durch eine Anordnung
   von Leitcrelementen, die von mehreren Adereinheiten (1), die in eine Matrix (2) aus einem gut leitenden Metall eingebettet sind, gebildet und mit einer Hülle (3) aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit hohem spezifischem elektrischem Leitungswiderstand beschichtet sind, wobei die Anordnung der Leiterelemente ohne
   Zwischenschaltung von Isoliermittel mit einer niedrig schmelzenden Metallegierung imprägniert ist.
3. 3. Supraleiterkabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (3) eine hohe mechanische Festigkeit aufweist.
4. 4· Supraleiterkabel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus rostfreiein Stahl oder Kupfer-Nickel besteht.
5. 5. Supraleiterkabel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dal; die Anordnung der Le it er elemente durch Verflechten oder Verseilen erhalten ist.

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