RU2784406C2 - System for initiating failure of superconductivity of htsc magnet - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to superconductive devices, more specifically invention relates to methods and equipment for protection from failure of superconductivity in such devices and especially in magnets for use in thermonuclear reactors. A device for protection from failure of superconductivity of HTSC circuit contains a circuit of a high-temperature superconductor (hereinafter – HTSC), wherein HTSC circuit contains: a section capable of failure of superconductivity, containing HTSC material and connected in series to other elements of HTSC circuit, while HTSC material contains a stack of HTSC tapes, containing at least one HTSC tape. The device additionally contains: a system of superconductivity failure, made with the possibility of failure of superconductivity of HTSC material in the section capable of failure of superconductivity; a system for protection from failure of superconductivity, made with the possibility of detection of an increase in a temperature in HTSC circuit and, in response to detection of an increase in the temperature, force of the system of superconductivity failure to fail superconductivity of superconductive material in the section capable of failure of superconductivity to discharge accumulated magnetic energy from HTSC circuit to the section capable of failure of superconductivity. In this case, HTSC circuit is made in such a way that, when used, a magnetic field on the mentioned or each HTSC tape is practically parallel to a-b plane of HTSC tape, and the system of superconductivity failure is made with the possibility of failure of superconductivity of HTSC material by creation of an additional magnetic field along a segment of the mentioned or each HTSC tape within the section capable of failure of superconductivity, so that the additional magnetic field has a component perpendicular to a-b plane of HTSC tape.

EFFECT: invention provides a possibility of faster causing intended failure of superconductivity in a superconductive circuit.

15 cl, 6 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к сверхпроводящим устройствам. Более конкретно, изобретение относится к способам и аппаратуре для защиты от нарушения сверхпроводимости в таких устройствах, и особенно в магнитах для применения в термоядерных реакторах.The invention relates to superconducting devices. More specifically, the invention relates to methods and apparatus for protecting against disruption of superconductivity in such devices, and especially in magnets for use in fusion reactors.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION

Сверхпроводящий магнит представляет собой электромагнит, образованный из обмоток сверхпроводящего материала. Поскольку обмотки магнита имеют нулевое сопротивление, сверхпроводящие магниты могут нести большие токи с нулевыми потерями (хотя будут некоторые потери из-за несверхпроводящих компонентов) и поэтому могут достигать полей высоких напряженностей с меньшими потерями, чем обычные электромагниты.A superconducting magnet is an electromagnet formed from windings of a superconducting material. Because the magnet windings have zero resistance, superconducting magnets can carry high currents with zero loss (although there will be some loss due to non-superconductive components) and can therefore reach high field strengths with less loss than conventional electromagnets.

Сверхпроводимость возникает лишь в определенных материалах и только при низких температурах. Сверхпроводящий материал будет вести себя как сверхпроводник в области, определяемой критической температурой сверхпроводника (наивысшая температура, при которой материал является сверхпроводником в нулевом приложенном магнитном поле) и критическим полем сверхпроводника (наибольшее магнитное поле, в котором материал является сверхпроводником при 0 К). Температура сверхпроводника и имеющееся магнитное поле ограничивают ток, который может передаваться сверхпроводником без того, чтобы сверхпроводник становился резистивным (или «нормальным», причем этот термин используется здесь в значении «несверхпроводящий»). Существует два типа сверхпроводящего материала: сверхпроводники I рода полностью исключают проникновение магнитного потока и имеют низкое критическое поле, а сверхпроводники II рода позволяют магнитному потоку проникать через сверхпроводник выше нижнего критического поля в пределах локализованных нормальных областей, называемых вихрями потока. Они перестают быть сверхпроводящими при верхнем критическом поле. Эта особенность позволяет использовать их в проводах для создания сверхпроводящих магнитов. Прилагаются значительные усилия, чтобы «прицепить» вихревые участки потока к атомной решетке, что улучшает критический ток при более высоких магнитных полях и температурах.Superconductivity occurs only in certain materials and only at low temperatures. A superconducting material will behave as a superconductor in a region defined by the superconductor's critical temperature (the highest temperature at which a material is a superconductor at zero applied magnetic field) and the superconductor's critical field (the largest magnetic field at which a material is a superconductor at 0 K). The temperature of the superconductor and the magnetic field present limit the current that can be carried by the superconductor without the superconductor becoming resistive (or "normal", the term being used here in the sense of "non-superconductive"). There are two types of superconducting material: Type I superconductors completely eliminate magnetic flux penetration and have a low critical field, while Type II superconductors allow magnetic flux to penetrate the superconductor above the lower critical field within localized normal regions called flux vortices. They cease to be superconducting at the upper critical field. This feature allows them to be used in wires to create superconducting magnets. Significant efforts are made to "attach" the vortex sections of the flow to the atomic lattice, which improves the critical current at higher magnetic fields and temperatures.

Сверхпроводящие материалы обычно подразделяются на «высокотемпературные сверхпроводники» (ВТСП) и «низкотемпературные сверхпроводники» (НТСП). НТСП, такие как Nb и NbTi, представляют собой металлы или металлические сплавы, сверхпроводимость которых может быть описана теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Все низкотемпературные сверхпроводники имеют критическую температуру (температуру, выше которой материал не может быть сверхпроводящим даже в нулевом магнитном поле) ниже примерно 30 К. Поведение ВТСП не описывается теорией БКШ, и такие материалы могут иметь критические температуры выше примерно 30 К (хотя следует отметить, что именно физические различия в составе и работе сверхпроводника, а не критическая температура, определяют материалы ВТСП и НТСП). Наиболее часто используемые ВТСП - это «купратные сверхпроводники» - керамика на основе купратов (соединений, содержащих группу оксида меди), такие как BSCCO или ReBCO (где Re - редкоземельный элемент, обычно Y или Gd). Другие ВТСП включают пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборат магния (MgB₂).Superconducting materials are generally classified into "high temperature superconductors" (HTSCs) and "low temperature superconductors" (LTSCs). LTSCs such as Nb and NbTi are metals or metal alloys whose superconductivity can be described by the Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theory. All low-temperature superconductors have a critical temperature (the temperature above which a material cannot be superconductive even in zero magnetic field) below about 30 K. that it is the physical differences in the composition and operation of the superconductor, and not the critical temperature, that determine the materials of HTSC and LTSC). The most commonly used HTSCs are "cuprate superconductors" - ceramics based on cuprates (compounds containing a copper oxide group) such as BSCCO or ReBCO (where Re is a rare earth element, usually Y or Gd). Other HTSCs include iron pnictides (eg FeAs and FeSe) and magnesium diborate (MgB ₂ ).

ReBCO обычно изготавливается в виде лент со структурой, показанной на фиг. 1. Такая лента 500 обычно имеет толщину приблизительно 100 микрон и включает в себя подложку 501 (обычно из электрополированного хастеллоя толщиной приблизительно 50 микрон), на которую ионно-лучевым осаждением (IBAD), магнетронным распылением или другим подходящим методом нанесен ряд буферных слоев, известных как буферный пакет 502, с приблизительной толщиной 0,2 мкм. Эпитаксиальный слой 503 ВТСП - ReBCO (нанесенный методом MOCVD или другим подходящим методом) покрывает буферный пакет и обычно имеет толщину 1 микрон. На слой ВТСП нанесен слой 504 серебра толщиной 1-2 микрона магнетронным распылением или другим подходящим методом, а на ленту гальваническим или другим подходящим методом нанесен слой 505 медного стабилизатора, который зачастую полностью инкапсулирует ленту.ReBCO is usually made in the form of tapes with the structure shown in FIG. 1. Such tape 500 typically has a thickness of approximately 100 microns and includes a substrate 501 (typically of electropolished Hastelloy approximately 50 microns thick) onto which a series of buffer layers known in the art has been deposited by ion beam deposition (IBAD), magnetron sputtering, or other suitable technique. as buffer package 502, with an approximate thickness of 0.2 microns. An HTS-ReBCO epitaxial layer 503 (applied by MOCVD or other suitable technique) covers the buffer package and is typically 1 micron thick. The HTS layer is coated with a 1-2 micron thick silver layer 504 by magnetron sputtering or other suitable method, and a copper stabilizer layer 505 is applied to the tape by electroplating or other suitable method, which often completely encapsulates the tape.

Подложка 501 обеспечивает механическую основу, которая может подаваться через производственную линию и позволяет выращивать последующие слои. Буферный пакет 502 необходим для обеспечения биаксиально текстурированного кристаллического шаблона, на котором наращивается слой ВТСП, и предотвращает химическую диффузию элементов из подложки в ВТСП, которая нарушает его сверхпроводящие свойства. Слой 504 серебра необходим для обеспечения низкорезистивной границы раздела от ReBCO к слою стабилизатора, а слой 505 стабилизатора обеспечивает альтернативный путь тока в том случае, когда какая-либо часть ReBCO прекращает быть сверхпроводящей (переходит в «нормальное» состояние).Substrate 501 provides a mechanical support that can be fed through the production line and allows subsequent layers to be grown. The buffer package 502 is needed to provide a biaxially textured crystal template on which the HTS layer is built up and to prevent chemical diffusion of elements from the substrate into the HTS, which destroys its superconducting properties. The silver layer 504 is needed to provide a low-resistance interface from the ReBCO to the regulator layer, and the regulator layer 505 provides an alternate current path in the event that any part of the ReBCO ceases to be superconducting (goes to the "normal" state).

Одной из проблем, которые могут возникнуть в сверхпроводящих магнитах, является нарушение сверхпроводимости. Нарушение сверхпроводимости происходит, когда часть сверхпроводящего провода или обмотки переходит в резистивное состояние (иногда известное как «становление нормальным»). Это может происходить из-за колебаний температуры или магнитного поля, или физического повреждения или дефектов в сверхпроводнике (например, трещин или ухудшения характеристик в результате нейтронного облучения, если магнит используется в термоядерном реакторе). Из-за высоких токов, присутствующих в магните, когда даже небольшая часть сверхпроводника становится резистивной, она быстро нагревается. Все сверхпроводящие провода снабжены каким-то медным стабилизатором для защиты от нарушения сверхпроводимости. Медь обеспечивает альтернативный путь тока, если сверхпроводник становится нормальным. Чем больше меди присутствует, тем медленнее поднимается температура в горячем пятне, которое образуется вокруг области проводника с нарушенной сверхпроводимостью.One of the problems that can arise in superconducting magnets is the violation of superconductivity. Breakdown of superconductivity occurs when a portion of a superconducting wire or winding goes into a resistive state (sometimes known as "going normal"). This may be due to fluctuations in temperature or magnetic field, or physical damage or defects in the superconductor (eg, cracks or degradation due to neutron exposure if the magnet is used in a fusion reactor). Due to the high currents present in a magnet, when even a small part of a superconductor becomes resistive, it heats up quickly. All superconducting wires are provided with some kind of copper stabilizer to protect against superconductivity breakdown. Copper provides an alternative current path if the superconductor becomes normal. The more copper present, the slower the temperature rises in the hot spot that forms around the region of the broken conductor.

В НТСП-магнитах, когда происходит нарушение сверхпроводимости, «нормальная зона» будет распространяться быстро - порядка нескольких метров в секунду. Это происходит из-за низкой теплоемкости всех материалов при низкой температуре и того факта, что НТСП обычно работают намного ближе к своим критическим температурам. Это означает, что нарушение сверхпроводимости распространяется быстро в НТСП-магните, и накопленная энергия магнитного поля, рассеиваемая при нарушении сверхпроводимости, будет распространяться по всему магниту, нагревая его.In LTSC magnets, when superconductivity breaks down, the "normal zone" will propagate rapidly - on the order of a few meters per second. This is due to the low heat capacity of all materials at low temperature and the fact that LTSCs typically operate much closer to their critical temperatures. This means that the superconductivity breakdown propagates rapidly in the LTSC magnet, and the accumulated magnetic field energy dissipated by the superconductivity breakdown will spread throughout the magnet, heating it.

ВТСП, эксплуатирующиеся при высоких температурах, имеют более высокую удельную теплоемкость, поэтому энергия, необходимая для приведения участка провода в нормальное состояние, намного выше. Это означает, что нарушения сверхпроводимости гораздо менее вероятны в ВТСП-магнитах, чем в НТСП-магнитах. Однако это также означает, что скорость распространения нормальной зоны намного медленнее - порядка нескольких сантиметров в секунду по сравнению с метрами в секунду в НТСП-магнитах. Поскольку нарушение сверхпроводимости будет первоначально влиять только на небольшой объем магнита, только эта область будет резистивной, и поэтому энергия, рассеиваемая во время нарушения сверхпроводимости, будет сбрасываться в этот небольшой объем (или, более конкретно, в медь, куда отводится ток из нормальной зоны). Это концентрирование энергии может привести к необратимому повреждению ВТСП-ленты, например, плавлению, дуговому разряду и т. д. Это дополнительно усугубляется тем, что ВТСП-магниты обычно охлаждаются косвенным образом, а не погружаются в ванну с жидким теплоносителем - поэтому локальная охлаждающая способность снижается по сравнению с НТСП-магнитами.HTSCs operating at high temperatures have a higher specific heat, so the energy required to bring a section of wire to normal is much higher. This means that violations of superconductivity are much less likely in HTSC magnets than in LTSC magnets. However, this also means that the rate of propagation of the normal zone is much slower - on the order of a few centimeters per second compared to meters per second in LTSC magnets. Since the superconductivity breakdown will initially affect only a small volume of the magnet, only this region will be resistive and so the energy dissipated during the superconductivity breakdown will be dumped into this small volume (or more specifically into the copper where the current is diverted from the normal zone) . This concentration of energy can cause permanent damage to the HTS tape, such as melting, arcing, etc. This is further exacerbated by the fact that HTS magnets are usually cooled indirectly rather than being immersed in a heat transfer fluid bath - so the local cooling capacity is reduced compared to LTSC magnets.

Энергия, накопленная в магнитном поле, определяется как:The energy stored in a magnetic field is defined as:

То есть, чем больше плотность потока и чем больше объем, тем больше накопленная энергия магнита. Энергия, высвобождаемая большим магнитом, может быть примерно такого же порядка, что и у шашки динамита. Для НТСП-магнита эта энергия может быть рассеяна нагреванием всего магнита. Для ВТСП-магнита без защиты от нарушения сверхпроводимости эта энергия может быть рассеяна в небольшой доле объема магнита. Как правило, для большого ВТСП-магнита требуется активная система защиты от нарушения сверхпроводимости, содержащая фазу детектирования, в течении которой нарушение сверхпроводимости детектируется до того, как произошел значительный нагрев, после чего следует фаза рассеивания, в течении которой ток магнита быстро снижается до того, как температура горячего пятна поднимется слишком высоко.That is, the greater the flux density and the greater the volume, the greater the accumulated energy of the magnet. The energy released by a large magnet can be about the same order of magnitude as that of a stick of dynamite. For an LTSC magnet, this energy can be dissipated by heating the entire magnet. For an HTS magnet without protection against superconductivity violation, this energy can be dissipated in a small fraction of the volume of the magnet. Typically, a large HTS magnet requires an active superconductivity fault protection system comprising a detection phase during which the superconductivity fault is detected before significant heating has occurred, followed by a dissipation phase during which the magnet current is rapidly reduced to as the temperature of the hot spot rises too high.

Большинство построенных на сегодняшний день ВТСП-магнитов (с использованием проводников с покрытием из BSCCO и ReBCO) фактически не имеют защиты от нарушения сверхпроводимости. Это связано с тем, что в основном они являются небольшими, недорогими прототипами с небольшой запасенной энергией, а также потому, что, как уже упоминалось, нарушение сверхпроводимости в хорошо спроектированном ВТСП-магните должно иметь очень низкую вероятность. Поэтому решение о том, следует ли защищать ВТСП-магнит от нарушения сверхпроводимости, по сути, является экономическим: маленький прототипный магнит можно относительно легко отремонтировать в том редком случае, когда произошло нарушение сверхпроводимости. Как следствие, технология защиты от нарушения сверхпроводимости для ВТСП-магнитов все еще остается несовершенной.Most HTS magnets built to date (using BSCCO and ReBCO coated conductors) have virtually no protection against superconductivity disruption. This is because they are generally small, inexpensive prototypes with little stored energy, and also because, as mentioned, superconductivity breaking in a well-designed HTS magnet should have a very low probability. Therefore, the decision of whether to protect an HTS magnet from superconductivity breakdown is essentially an economic one: a small prototype magnet can be repaired relatively easily in the rare event that superconductivity breakdown has occurred. As a consequence, the superconductivity protection technology for HTS magnets is still imperfect.

Одно из своих применений ВТСП-магниты находят в термоядерных реакторах типа токамака. Токамак характеризуется сочетанием сильного тороидального магнитного поля, высокого тока плазмы и, как правило, большого объема плазмы и значительного вспомогательного нагрева, чтобы обеспечить настолько горячую устойчивую плазму, чтобы могла происходить термоядерная реакция. Вспомогательный нагрев (например, посредством инжекции пучка нейтронов высокой энергии H, D или T в десятки мегаватт) необходим, чтобы поднять температуру до достаточно высоких значений, требующихся для возникновения ядерного синтеза, и/или чтобы поддержать ток плазмы.One of their uses for HTSC magnets is in tokamak-type fusion reactors. The tokamak is characterized by a combination of a strong toroidal magnetic field, high plasma current, and a generally large plasma volume and significant auxiliary heating to provide a plasma so hot and stable that a fusion reaction can occur. Auxiliary heating (eg, by injection of a beam of high energy H, D, or T neutrons of tens of megawatts) is needed to raise the temperature to high enough for fusion to occur and/or to maintain plasma current.

Проблема заключается в том, что из-за большого размера, обычно требующихся больших магнитных полей и высоких токов плазмы высоки затраты на строительство и эксплуатацию, а инженерные решения должны быть надежными, чтобы справляться с большими накопленными энергиями, присутствующими как в системах магнитов, так и в плазме, которая имеет привычку «прорываться» - мегаамперные токи, уменьшающиеся до нуля за несколько тысячных долей секунды при сильной нестабильности.The problem is that due to the large size, large magnetic fields and high plasma currents typically required, construction and operation costs are high, and engineering solutions must be robust in order to cope with the large stored energies present in both magnet systems and in plasma, which has a habit of "breaking through" - megaampere currents, decreasing to zero in a few thousandths of a second with strong instability.

Ситуация может быть улучшена путем уменьшения в размерах пончикообразного тороида обычного токамака до его предела, который выглядит как полое яблоко - «сферический» токамак (СТ). Первая реализация этой концепции на токамаке START в Калхэме продемонстрировала огромное увеличение эффективности - магнитное поле, необходимое для удержания горячей плазмы, может быть уменьшено в 10 раз. Кроме того, улучшена стабильность плазмы и снижены затраты на строительство.The situation can be improved by reducing the size of the donut-shaped toroid of a conventional tokamak to its limit, which looks like a hollow apple - a "spherical" tokamak (ST). The first implementation of this concept at the START tokamak at Culham demonstrated a huge increase in efficiency—the magnetic field needed to confine the hot plasma could be reduced by a factor of 10. In addition, plasma stability has been improved and construction costs have been reduced.

Чтобы получить реакции термоядерного синтеза, необходимые для экономичного генерирования электроэнергии (т.е. много большей выходной мощности, чем входная мощность), обычный токамак должен быть огромным с тем, чтобы время удержания энергии (которое примерно пропорциональное объему плазмы) могло быть достаточно большим для того, чтобы плазма могла быть достаточно горячей для протекания термоядерного синтеза.In order to achieve the fusion reactions needed to generate electricity economically (i.e., much more output power than input power), a conventional tokamak would need to be huge so that the energy hold-up time (which is roughly proportional to the plasma volume) could be long enough to so that the plasma can be hot enough for fusion to take place.

WO 2013/030554 описывает альтернативный подход, включающий использование компактного сферического токамака для использования в качестве источника нейтронов или источника энергии. Форма плазмы с низким аспектным отношением в сферическом токамаке улучшает время удержания частиц и позволяет генерировать полезную мощность в машине намного меньшего размера. Однако центральная колонна небольшого диаметра является необходимостью, что создает вызовы для конструирования удерживающего плазму магнита.WO 2013/030554 describes an alternative approach involving the use of a compact spherical tokamak for use as a neutron source or power source. The low aspect ratio plasma shape in a spherical tokamak improves particle confinement time and allows usable power to be generated in a much smaller machine. However, a central column of small diameter is a necessity, which creates challenges for the design of a plasma confining magnet.

Основная привлекательность ВТСП для токамаков - способность ВТСП переносить большие токи в интенсивных магнитных полях. Это особенно важно в компактных сферических токамаках (СТ), в которых плотность потока на поверхности центральной колонны будет превышать 20 Тл. Второстепенным преимуществом является способность ВТСП переносить большой ток в сильном магнитном поле при более высоких температурах, чем НТСП, например, ~ 20 К. Это позволяет использовать более тонкий нейтронный защитный экран, что приводит к более высокому нагреву центральной колонны нейтронами, что исключает работу с использованием жидкого гелия (т.е. при 4,2К или ниже). Это, в свою очередь, позволяет рассматривать конструкцию сферического токамака с большим радиусом плазмы менее чем примерно 2 м, например около 1,4 м; такое устройство будет перерабатывать несколько процентов своей выходной мощности на криогенное охлаждение.The main attraction of HTSCs for tokamaks is the ability of HTSCs to carry large currents in intense magnetic fields. This is especially important in compact spherical tokamaks (CTs), in which the flux density on the surface of the central column will exceed 20 T. A secondary advantage is the ability of HTSC to carry high current in a strong magnetic field at higher temperatures than LTSC, e.g. ~20 K. This allows a thinner neutron shield to be used, resulting in higher heating of the central column by neutrons, which precludes operation using liquid helium (i.e. at 4.2K or lower). This, in turn, allows considering the design of a spherical tokamak with a large plasma radius of less than about 2 m, for example about 1.4 m; such a device would convert a few percent of its power output to cryogenic cooling.

Тем не менее, такие магниты намного больше, чем те, которые были сконструированы ранее с использованием ВТСП. Магнит тороидального поля (ТП) даже для относительно небольшого токамака был бы, безусловно, самым большим ВТСП-магнитом, построенным на сегодняшний день, и представляет собой большой магнит с высокой накопленной энергией даже по стандартам НТСП. Соответственно, существенной является тщательно разработанная система защиты от нарушения сверхпроводимости, которая может справиться с падением критического тока в проводнике. Накопленная энергия магнита ТП (~4,5 Тл) для сферического токамака, работающего с большим радиусом 60 см, будет составлять 150-200 МДж, а у магнита ТП (~3 Тл) для токамака с радиусом 140 см будет превышать 1200 МДж.However, such magnets are much larger than those previously constructed using HTS. A toroidal field (TF) magnet, even for a relatively small tokamak, would be by far the largest HTS magnet built to date, and is a large magnet with high stored energy even by LTSC standards. Accordingly, a carefully designed superconductivity protection system that can cope with the critical current drop in the conductor is essential. The accumulated energy of the TP magnet (~4.5 T) for a spherical tokamak operating with a large radius of 60 cm will be 150–200 MJ, and for the TP magnet (~3 T) for a tokamak with a radius of 140 cm it will exceed 1200 MJ.

Роль системы защиты от нарушения сверхпроводимости заключается в том, чтобы детектировать локальное нарушение сверхпроводимости, или «горячее пятно», либо как можно быстрее после его начала, чтобы минимизировать повреждение, либо до инициирования, путем обнаружения переноса тока из сверхпроводника к медному стабилизатору, и чтобы размыкать прерыватель цепи для сброса накопленной энергии магнита в резистивную нагрузку. Сброс энергии может быть достигнут путем перенаправления тока через резистор наружу криостата магнита при комнатной температуре или путем нагревания «холодной массы» магнита, чтобы он стал резистивным, опционально, используя собственную накопленную энергию магнита для искусственного более быстрого распространения нарушения сверхпроводимости через сверхпроводящие обмотки (так что энергия рассеивается по всему магниту, который постепенно нагревается, а не вызывает резкое повышение температуры в горячем пятне). Искусственное распространение затруднительно в ВТСП-магнитах, потому что тепло, необходимое для нарушения сверхпроводимости всего магнита, намного больше, чем в НТСП, и его трудно реализовать на практике.The role of the superconductivity fault protection system is to detect a local fault, or "hot spot," either as soon as possible after it begins to minimize damage, or before initiation, by detecting the transfer of current from the superconductor to the copper regulator, and to open the circuit breaker to dump stored magnet energy into a resistive load. Energy shedding can be achieved by redirecting current through a resistor to the outside of the magnet's cryostat at room temperature, or by heating the "cold mass" of the magnet to become resistive, optionally using the magnet's own stored energy to artificially propagate the superconductivity disturbance faster through the superconducting windings (so that the energy is dissipated throughout the magnet, which gradually heats up rather than causing a sudden rise in temperature at the hot spot). Artificial propagation is difficult in HTS magnets because the heat required to break the superconductivity of the entire magnet is much greater than in LTSC and is difficult to implement in practice.

Для того чтобы система защиты от нарушения сверхпроводимости могла предотвращать серьезное повреждение в магните, температуру горячего пятна следует поддерживать ниже приблизительно 200 К. Время, необходимое для повышения температуры горячего пятна от рабочей температуры ВТСП-магнита примерно 20 К до 200 К, зависит от количества медного стабилизатора, предусмотренного в проводнике. В компактном сферическом токамаке, проводящем 35 МА в центральной колонне радиусом ~35 см (т.е. расчетная плотность тока ~90 А/мм²), время между началом нарушения сверхпроводимости и активацией сброса энергии должно быть менее 0,5 с, чтобы ограничить температуру горячего пятна до уровня менее чем 200 К. Для достижения этого есть два подхода: повышение скорости детектирования нарушения сверхпроводимости (или даже детектирование условий, вероятно приводящих к нарушению сверхпроводимости, чтобы можно было сбросить энергию до того, как произошло фактическое нарушение сверхпроводимости) и повышение скорости сброса энергии.In order for the superconductivity protection system to prevent serious damage to the magnet, the hot spot temperature should be maintained below about 200 K. The time required for the hot spot temperature to rise from the HTS magnet operating temperature of about 20 K to 200 K depends on the amount stabilizer provided in the conductor. In a compact spherical tokamak conducting 35 MA in a central column with a radius of ~35 cm (i.e., a calculated current density of ~90 A/ ^mm2 ), the time between the onset of superconductivity breakdown and the activation of energy release should be less than 0.5 s to limit temperature of the hot spot to less than 200 K. To achieve this, there are two approaches: increasing the rate of detection of superconductivity violation (or even detecting conditions likely to lead to violation of superconductivity so that energy can be released before the actual violation of superconductivity has occurred) and increasing energy release rate.

В предыдущей работе было предложено намеренно нарушать сверхпроводимость секцией ВТСП-магнита или секций НТСП комбинированного ВТСП/НТСП-магнита за счет использования нагревателей. Например, в обмотке тороидального поля токамака имеется ограниченное пространство в центральной колонне, но много места в обратных ветвях, поэтому нагреватели можно ввести в обратные ветви, чтобы нарушить сверхпроводимость сверхпроводящего материала там, сбрасывая энергию магнита в большую секцию обратных ветвей, а не в маленькую область, где происходит первоначальное нарушение сверхпроводимости. Однако требуется небольшое, но значительное время, чтобы тепло распространилось от нагревателей к сверхпроводящему материалу и нагрело его до точки, при которой происходит управляемое нарушение сверхпроводимости. Существует необходимость в более быстром способе вызывать намеренное нарушение сверхпроводимости в сверхпроводящей цепи.In previous work, it has been proposed to deliberately break superconductivity with a section of an HTS magnet or sections of an LTSC combined HTS/LTSC magnet through the use of heaters. For example, in a tokamak toroidal field winding, there is limited space in the central column, but plenty of space in the return legs, so heaters can be introduced into the return legs to break the superconductivity of the superconducting material there, dumping magnet energy into a large section of the return legs rather than into a small area. where the initial breakdown of superconductivity occurs. However, it takes a small but significant amount of time for the heat to travel from the heaters to the superconducting material and heat it to the point where controlled breakdown of superconductivity occurs. There is a need for a faster way to cause intentional disruption of superconductivity in a superconducting circuit.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Согласно первому аспекту изобретения предлагается устройство, содержащее цепь высокотемпературного сверхпроводника, ВТСП;According to a first aspect of the invention, there is provided a device comprising a high temperature superconductor, HTS circuit;

при этом цепь ВТСП содержит:while the HTSC circuit contains:

способный к нарушению сверхпроводимости участок, содержащий материал ВТСП и соединенный последовательно с другими элементами цепи ВТСП, при этом материал ВТСП содержит стопку ВТСП-лент, содержащую по меньшей мере одну ВТСП-ленту;capable of disrupting superconductivity section containing the HTS material and connected in series with other elements of the HTS circuit, while the HTS material contains a stack of HTS tapes containing at least one HTS tape;

устройство дополнительно содержит:the device additionally contains:

систему нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью нарушать сверхпроводимость материала ВТСП в способном к нарушению сверхпроводимости участке;a superconductivity breaking system configured to break the superconductivity of the HTS material in the superconductivity breaking portion;

систему защиты от нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью детектировать повышения температуры в цепи ВТСП и в ответ на детектирование повышения температуры заставлять систему нарушения сверхпроводимости нарушать сверхпроводимость сверхпроводящего материала в способном к нарушению сверхпроводимости участке, чтобы сбросить накопленную магнитную энергию из цепи ВТСП в способный к нарушению сверхпроводимости участок;a superconductivity breaking protection system configured to detect temperature rises in the HTS circuit and, in response to detecting the temperature rise, cause the superconductivity breaking system to break the superconductivity of the superconductive material in the superconductivity breaking portion to dump stored magnetic energy from the HTS circuit to the superconductivity breaking plot;

при этом цепь ВТСП выполнена так, что при применении магнитное поле на упомянутой или каждой ВТСП-ленте практически параллельно плоскости a-b ВТСП-ленты, а система нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью нарушать сверхпроводимость материала ВТСП за счет создания дополнительного магнитного поля вдоль отрезка упомянутой или каждой ВТСП-ленты в пределах способного к нарушению сверхпроводимости участка, так что дополнительное магнитное поле имеет компоненту, перпендикулярную плоскости a-b ВТСП-ленты.wherein the HTSC circuit is designed so that when applying the magnetic field on the mentioned or each HTSC tape is practically parallel to the plane a-b of the HTSC tape, and the superconductivity disruption system is configured to disrupt the superconductivity of the HTSC material by creating an additional magnetic field along the section of the mentioned or each HTSC -tape within the region capable of disrupting superconductivity, so that the additional magnetic field has a component perpendicular to the a-b plane of the HTS tape.

Согласно второму аспекту изобретения предлагается система нарушения сверхпроводимости для намеренного нарушения сверхпроводимости ВТСП-ленты в магнитном поле, в основном параллельном плоскости a-b ленты, при этом система нарушения сверхпроводимости содержит механизм для генерирования второго магнитного поля сквозь ленту, имеющего компоненту, перпендикулярную плоскости a-b.According to a second aspect of the invention, a superconductivity disruption system is provided for intentionally disrupting the superconductivity of an HTS tape in a magnetic field substantially parallel to the a-b plane of the tape, wherein the superconductivity disruption system comprises a mechanism for generating a second magnetic field through the tape having a component perpendicular to the a-b plane.

Дополнительные варианты осуществления представлены в п. 2 и последующих пунктах формулы изобретения.Additional options for implementation are presented in paragraph 2 and subsequent paragraphs of the claims.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Фиг. 1 - график зависимости критического тока от угла магнитного поля для ВТСП-ленты;Fig. 1 is a plot of critical current versus magnetic field angle for an HTS tape;

Фиг. 2 - схематическая иллюстрация примерной системы нарушения сверхпроводимости;Fig. 2 is a schematic illustration of an exemplary superconductivity breaking system;

Фиг. 3 - схематическая иллюстрация примерного ВТСП-кабеля;Fig. 3 is a schematic illustration of an exemplary HTS cable;

Фиг. 4 - график зависимости критического тока от времени для ВТСП-ленты по фиг. 2;Fig. 4 is a plot of critical current versus time for the HTS tape of FIG. 2;

Фиг. 5 - график зависимости теплоемкости от температуры для нержавеющей стали и меди;Fig. 5 is a plot of heat capacity versus temperature for stainless steel and copper;

Фиг. 6 - график зависимости удельного сопротивления от температуры для нержавеющей стали и меди.Fig. 6 is a plot of resistivity versus temperature for stainless steel and copper.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕDETAILED DESCRIPTION

Как отмечено выше, сверхпроводящий материал станет нормальным (то есть окажет сопротивление), когда ток в материале достигает и превышает критический ток. У высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) критический ток зависит от температуры сверхпроводящего материала, напряженности магнитного поля и направления магнитного поля, воздействию которого подвергается ВТСП. Критический ток уменьшается при более высокой температуре, более сильном магнитном поле и большем угле между магнитным полем и плоскостью a-b сверхпроводника. У большинства имеющихся в продаже ВТСП-лент с ReBCO плоскость a-b почти совпадает с плоскостью ленты, но может отклоняться на целых 35 градусов (а фактически, могут быть возможными и более высокие отклонения, 35 градусов - это самый большой угол в доступных в настоящее время лентах). Для простоты в оставшейся части этого раскрытия будет предполагаться, что плоскость a-b совпадает с плоскостью ленты, и специалист поймет, что соответствующие модификации могут быть сделаны для лент, где это не так.As noted above, a superconducting material will become normal (ie resistive) when the current in the material reaches and exceeds the critical current. For high-temperature superconductors (HTSCs), the critical current depends on the temperature of the superconducting material, the strength of the magnetic field, and the direction of the magnetic field to which the HTSC is exposed. The critical current decreases at higher temperature, stronger magnetic field, and larger angle between the magnetic field and the a-b plane of the superconductor. Most commercially available HTS tapes with ReBCO have the a-b plane almost in line with the plane of the tape, but can deviate as much as 35 degrees (in fact, higher deviations may be possible, 35 degrees is the largest angle in tapes currently available ). For simplicity, the remainder of this disclosure will assume that the a-b plane is the same as the plane of the tape, and the skilled person will appreciate that appropriate modifications can be made to the tapes where this is not the case.

В качестве альтернативы или в дополнение к вызыванию нарушения сверхпроводимости путем нагревания магнита, ниже предлагается система, которая вызывает нарушение сверхпроводимости путем изменения угла магнитного поля, воздействие которого испытывает ВТСП-лента. Поскольку основными применениями ВТСП-ленты являются магниты и другие сильноточные приборы, такие как ограничители повреждающего тока, внешнее магнитное поле на каждой ВТСП-ленте уже зачастую очень велико - либо из-за конструкции магнита, либо из-за наличия других сильноточных ВТСП-лент при других применениях. Однако, как показано на фиг. 1, зависимость критического тока от направления приложенного поля очень сильна - для некоторых имеющихся в продаже лент критический ток может уменьшиться вдвое при изменении угла поля менее 10 градусов. Способный к намеренному нарушению сверхпроводимости участок ВТСП-обмотки может быть спроектирован на работу с отношением I/I_C ближе к единице (и, как правило, будет таким, поскольку уменьшение количества используемого ВТСП предполагает значительное снижение затрат).As an alternative or in addition to causing superconductivity to break by heating the magnet, a system is provided below that causes superconductivity to break by changing the angle of the magnetic field that the HTS tape experiences. Since the main applications of HTS tape are magnets and other high current devices such as damaging current suppressors, the external magnetic field on each HTS tape is already often very high, either due to the design of the magnet or the presence of other high current HTS tapes at other applications. However, as shown in FIG. 1, the dependence of the critical current on the direction of the applied field is very strong - for some commercially available tapes, the critical current can be halved for changes in the field angle of less than 10 degrees. The portion of the HTS winding capable of intentionally breaking superconductivity can be designed to operate at an I/I _C ratio closer to unity (and will typically be, since reducing the amount of HTS used implies significant cost savings).

Система работает лучше всего, когда участки обмотки магнита, содержащего ВТСП-ленты, в которых должна быть нарушена сверхпроводимость, располагаются так, что магнитное поле в основном совпадает с плоскостью a-b слоя ВТСП ReBCO. Это гарантирует, что критический ток ленты будет максимально возможным или близким к максимально возможному при данных плотности потока и температуре. Если магнитное поле повернуть затем в правильном направлении, критический ток будет резко падать, пока он не станет ниже транспортного тока. Подвергаемые такому воздействию участки обмотки будут затем терять сверхпроводимость, генерируя тепло, которое нагревает участки с нарушенной сверхпроводимостью, гарантируя, что критический ток не сможет восстановиться после окончания импульса магнитного поля.The system works best when the portions of the winding of the magnet containing the HTS tapes in which superconductivity is to be broken are positioned so that the magnetic field substantially coincides with the a-b plane of the HTS ReBCO layer. This ensures that the ribbon's critical current is at or near the maximum possible for a given flux density and temperature. If the magnetic field is then turned in the right direction, the critical current will drop sharply until it is below the transport current. The exposed portions of the winding will then lose superconductivity, generating heat that heats the broken portions of the winding, ensuring that the critical current cannot be restored after the end of the magnetic field pulse.

Такая система инициирования нарушения сверхпроводимости должна быть спроектирована так, чтобы генерировать перпендикулярное плоскости a-b магнитное поле в некоторых или во всех лентах в обмотке и, по меньшей мере, в достаточном количестве лент в обмотке, чтобы общий критический ток лент, подвергаемых дополнительному воздействию перпендикулярного магнитного поля, был бы меньше, чем ток в ленте (это могут быть все ленты в обмотке). Наиболее эффективным способом было бы генерирование магнитного поля с большой компонентой, перпендикулярной плоскости a-b ленты (т.е. параллельно c-оси ВТСП), которое в сочетании с существующим внешним полем приведет к образованию поля под углом к плоскости a-b, достаточному, чтобы нарушить сверхпроводимость ленты. Однако также возможно генерировать магнитное поле под любым углом, которое не параллельно плоскости a-b, хотя потребуется гораздо более сильное поле.Such a superconductivity breaking initiation system must be designed to generate a magnetic field perpendicular to the a-b plane in some or all of the tapes in the winding and at least in a sufficient number of tapes in the winding so that the total critical current of the tapes subjected to additional perpendicular magnetic field , would be less than the current in the tape (this could be all the tapes in the winding). The most efficient way would be to generate a magnetic field with a large component perpendicular to the a-b plane of the tape (i.e., parallel to the c-axis of the HTSC), which, in combination with the existing external field, would produce a field at an angle to the a-b plane, sufficient to disrupt superconductivity ribbons. However, it is also possible to generate a magnetic field at any angle that is not parallel to the a-b plane, although a much stronger field would be required.

Один простой способ генерировать такое поле, как показано на фиг. 2, состоит в пропускании тока через провод 201, который проходит параллельно отрезку ВТСП-ленты 202 и лежит в плоскости a-b ВТСП-ленты. Поле 203 вокруг такого провода будет пересекать ВТСП-ленту параллельно c-оси ленты (то есть перпендикулярно ленте). Это поле может быть усилено путем прокладки аналогичного провода 204 на противоположной стороне ВТСП-ленты, пропускающего ток в противоположном направлении. Чтобы нарушить сверхпроводимость ВТСП-ленты 202, через провод (провода) 201, 204 посылается импульс тока, в результате чего провода генерируют перпендикулярное ленте магнитное поле, которое в сочетании с существующим магнитным полем имеет эффект мгновенного поворачивания поля, видимого лентой. Как только ВТСП-лента 202 становится нормальной из-за воздействия магнитного поля, вызванный этим нагрев обычно приводит к полной потере сверхпроводимости. Длина импульса тока является балансом между необходимостью обеспечить полную потерю сверхпроводимости (более определенную при более длинном импульсе) и необходимостью избежать повреждения проводов 201, 204 (вызванного передачей большого тока через резистивный провод).One simple way to generate such a field, as shown in FIG. 2 consists in passing current through a wire 201 which runs parallel to a length of HTS tape 202 and lies in the a-b plane of the HTS tape. The field 203 around such a wire will traverse the HTS tape parallel to the c-axis of the tape (ie perpendicular to the tape). This field can be enhanced by running a similar wire 204 on the opposite side of the HTS tape, carrying current in the opposite direction. To disrupt the superconductivity of the HTS tape 202, a current pulse is sent through the wire(s) 201, 204, causing the wires to generate a magnetic field perpendicular to the tape, which, in combination with the existing magnetic field, has the effect of instantaneously rotating the field seen by the tape. Once the HTS tape 202 becomes normal due to the magnetic field, the resulting heating usually results in a complete loss of superconductivity. The length of the current pulse is a balance between the need to ensure a complete loss of superconductivity (more defined with a longer pulse) and the need to avoid damage to the wires 201, 204 (caused by the transfer of high current through the resistive wire).

Импульс магнитного поля обязательно должен быть короткой длительности, потому что генерирующая импульсное поле обмотка будет быстро нагреваться, и напряжение, необходимое для поддержания высокого постоянного тока через нее, будет увеличиваться. Для подачи большого тока через генерирующую импульсы обмотку потребуется большое переходное напряжение, обычно – несколько тысяч вольт, поэтому она должно быть электрически изолирована от обмоток магнита. Однако проводники генерирующей импульсы обмотки должны быть расположены между и как можно ближе к проводникам того участка обмотки магнита, который должен потерять сверхпроводимость, чтобы создать максимально возможное импульсное поле. Кроме того, проводники для импульсного поля и проводники магнита должны находиться в как можно более хорошем тепловом контакте (сообразно адекватной изоляции от напряжения), чтобы позволить тепловому импульсу от генерирующей импульсы обмотки рассеиваться в обмотки магнита, далее распространяя нарушение сверхпроводимости.The magnetic field pulse must necessarily be of short duration because the winding generating the pulsed field will quickly heat up and the voltage required to maintain a high DC current through it will increase. To supply a large current through the pulse-generating winding would require a large transient voltage, typically several thousand volts, so it must be electrically isolated from the magnet windings. However, the conductors of the pulse-generating winding must be located between and as close as possible to the conductors of that section of the magnet winding that must lose superconductivity in order to create the maximum possible pulsed field. In addition, the conductors for the pulsed field and the magnet conductors must be in as good thermal contact as possible (consistent with adequate isolation from voltage) to allow the thermal pulse from the pulse-generating winding to dissipate into the magnet windings, further propagating the superconductivity disturbance.

Компоновка с чередованием направления тока в соседних витках обмотки генератора импульсов даст обмотку с низкой индуктивностью. Это имеет дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении индуктивного напряжения, генерируемого быстро изменяющимся током во время нарастания и спада фронтов импульса.An arrangement with alternating current direction in adjacent turns of the pulse generator winding will give a low inductance winding. This has the added benefit of reducing the inductive voltage generated by the rapidly changing current during the rise and fall of pulse edges.

Дополнительная польза от использования пары проводов 201, 204 состоит в том, что дополнительное поле вдали от пары проводов является небольшим, поскольку поля каждого провода будут стремиться компенсировать друг друга на больших расстояниях по сравнению с расстоянием между ними.An additional benefit of using a pair of wires 201, 204 is that the additional field away from the pair of wires is small, since the fields of each wire will tend to cancel each other over large distances compared to the distance between them.

На фиг. 3 показана структура способного к нарушению сверхпроводимости ВТСП-кабеля для использования в тех ситуациях, где основное магнитное поле присутствует на каждой ВТСП-ленте из других лент в кабеле. Такая лента может быть использована в применениях с электропередачей постоянного тока или в магнитах с низкопольными участками, такими как наружные части обратных ветвей обмотки тороидального поля. Аналогичные принципы могут быть применены к ВТСП-кабелям для использования в других ситуациях, но расположение ВТСП-лент внутри кабеля будет другим.In FIG. 3 shows the structure of a superconductivity breaking HTS cable for use in situations where the main magnetic field is present on each HTS tape from the other tapes in the cable. Such a tape can be used in DC power applications or in magnets with low field regions such as the outer portions of the return legs of a toroidal field winding. Similar principles can be applied to HTS cables for use in other situations, but the location of the HTS tapes within the cable will be different.

ВТСП-кабель 300 содержит ВТСП-ленту, или стопки лент, 301 и провода 302, 303. ВТСП-ленты расположены так, что плоскость a-b слоя ВТСП ReBCO в лентах 301 перпендикулярна радиусу кабеля 300. Провода 302, 303, генерирующие импульсы, расположены по одному проводу между каждой из стопок ВТСП-лент 301. Провода 302 переносят ток в одном направлении («из страницы» на фиг. 3), а провода 303 переносят ток в противоположном направлении («в страницу» на фиг. 3). Каждая стопка ВТСП-лент 301 находится смежно с одним проводом 302, несущим ток в одном направлении, и одним проводом 303, несущим ток в противоположном направлении. Эффект такого расположения состоит в том, что, когда через провода 302 и 303 пропускается импульсный ток, каждая ВТСП-лента 301 испытывает дополнительное импульсное магнитное поле, приложенное параллельно c-оси ВТСП-ленты 301, что заставляет критический ток стопок ВТСП-лент уменьшаться.The HTS cable 300 comprises an HTS tape, or stacks of tapes, 301 and wires 302, 303. The HTS tapes are arranged such that the a-b plane of the HTS ReBCO layer in the tapes 301 is perpendicular to the radius of the cable 300. The pulse generating wires 302, 303 are arranged along to one wire between each of the stacks of HTS tapes 301. Wires 302 carry current in one direction ("out of the page" in FIG. 3) and wires 303 carry current in the opposite direction ("into the page" in FIG. 3). Each stack of HTS tapes 301 is adjacent to one wire 302 carrying current in one direction and one wire 303 carrying current in the opposite direction. The effect of this arrangement is that when a pulsed current is passed through the wires 302 and 303, each HTS tape 301 experiences an additional pulsed magnetic field applied parallel to the c-axis of the HTS tape 301, which causes the critical current of the HTS tape stacks to decrease.

Ток может быть легко подан в такую компоновку проводов путем попеременного соединения верха и низа каждой соседней пары и пропускания тока через полученную последовательную цепь. Однако возможны другие компоновки с параллельными схемами соединения, которые позволяют получить доступ к режимам тока и напряжения практически применимого генератора импульсного тока.Current can be easily applied to such an arrangement of wires by alternately connecting the top and bottom of each adjacent pair and passing the current through the resulting series circuit. However, other parallel arrangements are possible that allow access to the current and voltage modes of a practical pulse current generator.

При обеспечении управляемого импульсного магнитного поля с помощью электрических токов, протекающих через резистивные компоненты вблизи ВТСП-лент, резистивные компоненты также будут выделять тепло, что еще больше уменьшит критический ток ВТСП-лент (после дополнительной задержки, поскольку теплу потребуется время на распространение). Примерный график зависимости критического тока от времени показан на фиг. 4 для системы согласно фиг. 2. Нарушение сверхпроводимости происходит где-нибудь в цепи ВТСП в момент времени T₀, и критический ток способного к нарушению сверхпроводимости участка имеет свое нормальное значение 401. После короткой задержки, в момент времени T₁, детектируется нарушение сверхпроводимости, и на провода 201, 204 посылают импульс тока, заставляя критический ток ВТСП-ленты резко падать 402 до значения ниже тока в ВТСП-ленте 400, вызывая нарушение сверхпроводимости ВТСП-ленты (по всему отрезку, который испытывает сдвиг угла магнитного поля). Падение 402 критического тока происходит немного после импульса тока, в момент времени T₂, поскольку импульс тока будет индуцировать вихревые токи в металлических частях ВТСП-кабеля, которые будут противодействовать изменению магнитного потока. Вслед за импульсом тока критический ток ВТСП-ленты может снова возрасти (так как внешнее магнитное поле снова практически совпадает с главной плоскостью), но до более низкого значения 403, чем раньше, из-за нагрева, вызванного нарушением сверхпроводимости в ВТСП-ленте. Вскоре после этого, в момент времени T₃, критический ток снова упадет 404 из-за тепла, вызванного проходящим через провода 201, 204 током и рассеивающегося через промежуточную структуру в ВТСП. Если критический ток, следующий за импульсом тока, не был достаточным для того, чтобы удерживать ВТСП-ленту в состоянии нарушения сверхпроводимости, то дополнительное падение критического тока гарантирует, чтобы это произошло.By providing a controlled pulsed magnetic field with electrical currents flowing through the resistive components near the HTS tapes, the resistive components will also generate heat, further reducing the critical current of the HTS tapes (after an additional delay as the heat takes time to propagate). An exemplary plot of critical current versus time is shown in FIG. 4 for the system according to FIG. 2. Superconductivity breakdown occurs somewhere in the HTS circuit at time T ₀ , and the critical current of the superconductivity-breakable section has its normal value of 401. After a short delay, at time T ₁ , superconductivity breakdown is detected, and wires 201, 204 send a current pulse, causing the critical current of the HTS tape to drop sharply 402 to a value below the current in the HTS tape 400, causing the superconductivity of the HTS tape to break (over the entire length that experiences the magnetic field angle shift). The critical current drop 402 occurs slightly after the current pulse, at time T ₂ , because the current pulse will induce eddy currents in the metal portions of the HTS cable which will counteract the change in magnetic flux. Following the current pulse, the critical current of the HTS tape may increase again (since the external magnetic field again practically coincides with the main plane), but to a lower value of 403 than before, due to the heating caused by the violation of superconductivity in the HTS tape. Shortly thereafter, at time T ₃ , the critical current will drop again 404 due to the heat caused by the current flowing through the wires 201, 204 and dissipated through the intermediate structure in the HTS. If the critical current following the current pulse was not sufficient to keep the HTS tape in the superconductivity breaking state, then an additional critical current drop ensures that this happens.

В зависимости от длительности импульса тока, магнитных и электрических свойств ВТСП-кабеля и степени теплового контакта между проводами 201, 204 и ВТСП-лентой 202, тепло от импульса тока может поступать во время или после импульсного магнитного поля, вызванного самим импульсом тока.Depending on the duration of the current pulse, the magnetic and electrical properties of the HTS cable, and the degree of thermal contact between the wires 201, 204 and the HTS tape 202, the heat from the current pulse may be delivered during or after the pulsed magnetic field caused by the current pulse itself.

Выше описана система нарушения сверхпроводимости для нарушения сверхпроводимости способного к нарушению сверхпроводимости участка цепи ВТСП. Чтобы обеспечить систему полной защиты от нарушения сверхпроводимости для цепи ВТСП, способный к нарушению сверхпроводимости участок предусмотрен соединенным последовательно с другими компонентами цепи ВТСП, а система детектирования нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью детектировать нарушения сверхпроводимости в цепи ВТСП и в ответ заставлять систему нарушения сверхпроводимости нарушать сверхпроводимость в способном к нарушению сверхпроводимости участке. Способный к нарушению сверхпроводимости участок должен иметь теплоемкость, достаточную для того, чтобы заставить температуру способного к нарушению сверхпроводимости участка оставаться ниже первой заданной температуры (например, 700 К, чтобы предотвратить расплавление стабилизатора в способных к нарушению сверхпроводимости участках, или 200 К, чтобы поддерживать допустимой деформацию в способном к нарушению сверхпроводимости участке за счет различного теплового расширения, или 100 К, или 50 К для обеспечения устойчивости систем охлаждения), и удельное сопротивление, достаточное для того, чтобы заставить ток магнита падать достаточно быстро, чтобы температура ВТСП с первоначальным нарушением сверхпроводимости («горячего пятна») оставалась ниже второй заданной температуры (например, 700 К, 300 К, 100 К или 50 К). Этого можно добиться, снабдив способный к нарушению сверхпроводимости участок несверхпроводящим стабилизатором, содержащим металл с большим отношением удельного сопротивления к объемной теплоемкости, чем у меди, например такой, как нержавеющая сталь.Described above is a superconductivity disruption system for superconductivity disruption of a superconductivity disruptor portion of an HTS circuit. In order to provide a complete superconductivity violation protection system for the HTS circuit, a superconductivity violation capable section is provided connected in series with other components of the HTS circuit, and the superconductivity violation detection system is configured to detect superconductivity violations in the HTS circuit and, in response, cause the superconductivity violation system to violate superconductivity in area capable of violating superconductivity. The superconductivity-breakable portion must have a heat capacity sufficient to cause the temperature of the superconductivity-breakable portion to remain below a first predetermined temperature (e.g., 700 K to prevent melting of the stabilizer in the superconductivity-breakable portions, or 200 K to maintain an acceptable deformation in the superconductive breaking region due to varying thermal expansion, either 100 K or 50 K for stability of cooling systems), and a resistivity sufficient to cause the magnet current to drop fast enough that the temperature of the HTS with the initial superconductivity breaking ("hot spot") remained below the second set temperature (for example, 700 K, 300 K, 100 K or 50 K). This can be achieved by providing the area capable of breaking superconductivity with a non-superconducting stabilizer containing a metal with a higher resistivity to volumetric heat capacity ratio than that of copper, such as stainless steel, for example.

Чтобы эффективно сбрасывать энергию из цепи ВТСП с минимальным риском повреждения цепи, способные к нарушению сверхпроводимости участки могут иметь достаточно высокое сопротивление, когда нет сверхпроводимости («нормальное сопротивление»), чтобы быстро уменьшить ток в цепи ВТСП, и достаточно высокую теплоемкость, чтобы поглотить накопленную магнитом энергию, безусловно, без плавления и, предпочтительно, без повышения температуры намного выше комнатной. Температура горячего пятна при нарушении сверхпроводимости ВТСП будет отчасти определяться нормальным сопротивлением способных к нарушению сверхпроводимости участков (которое отчасти определяется удельным сопротивлением выбранных материалов), а максимальная температура сверхпроводника в способных к нарушению сверхпроводимости участках будет определяется главным образом теплоемкостью способных к нарушению сверхпроводимости участков. В тех цепях ВТСП, где длина способных к нарушению сверхпроводимости участков ограничена, например, когда способные к нарушению сверхпроводимости участки предусматриваются внутри обратных ветвей обмотки тороидального поля, эти требования являются противоречивыми. Теплоемкость может быть увеличена путем увеличения поперечного сечения способного к нарушению сверхпроводимости участка (например, путем увеличения поперечного сечения несверхпроводящего стабилизатора в способном к нарушению сверхпроводимости участке), но это также уменьшило бы нормальное сопротивление. Использование отличных от меди материалов в качестве несверхпроводящего стабилизатора может обеспечить повышенную теплоемкость, не делая нормальное сопротивление слишком низким. Например, как показано на фиг. 5 и 6, теплоемкость нержавеющей стали (501) сходна с теплоемкостью меди (502), но удельное электрическое сопротивление нержавеющей стали (601) выше, чем у меди (602). В общем, металл, у которого отношение удельного сопротивления к объемной теплоемкости металла больше, чем это отношение для меди, будет подходящим для такого применения.In order to effectively dump energy from an HTS circuit with minimal risk of damaging the circuit, the regions capable of breaking superconductivity can have a high enough resistance when there is no superconductivity ("normal resistance") to quickly reduce the current in the HTS circuit, and a high enough heat capacity to absorb the accumulated magnet energy, of course, without melting and, preferably, without raising the temperature much above room temperature. The temperature of the hot spot when HTSC superconductivity is broken will be partly determined by the normal resistance of the superconductivity-breaking regions (which is partly determined by the resistivity of the selected materials), and the maximum temperature of the superconductor in the superconductivity-breaking regions will be determined mainly by the heat capacity of the superconductivity-breaking regions. In those HTS circuits where the length of the superconductivity-breaking sections is limited, for example, when the superconductivity-breaking sections are provided inside the return branches of the toroidal field winding, these requirements are contradictory. The heat capacity can be increased by increasing the cross section of the superconductive breaking region (eg, by increasing the cross section of the non-superconducting stabilizer in the superconducting breaking region), but this would also decrease the normal resistance. The use of materials other than copper as a non-superconductive stabilizer can provide increased heat capacity without making the normal resistance too low. For example, as shown in FIG. 5 and 6, the heat capacity of stainless steel (501) is similar to that of copper (502), but the electrical resistivity of stainless steel (601) is higher than that of copper (602). In general, a metal whose ratio of resistivity to volumetric heat capacity of the metal is greater than that of copper would be suitable for such an application.

Немедный стабилизатор может быть введен в дополнение к медному стабилизатору, например, путем обеспечения коммерчески доступного стабилизированного медью сверхпроводника в матрице из нержавеющей стали. Соотношение меди и нержавеющей стали необходимо отрегулировать так, чтобы ограничить температуру сверхпроводника заданным значением, например, 300 К, если вся энергия обмотки сбрасывается в способные к нарушению сверхпроводимости участки. Скорость затухания транспортного тока при сбросе энергии магнита будет зависеть от индуктивности и зависимого от температуры сопротивления способных к нарушению сверхпроводимости участков.A non-copper stabilizer can be introduced in addition to the copper stabilizer, for example by providing a commercially available copper-stabilized superconductor in a stainless steel matrix. The ratio of copper to stainless steel must be adjusted to limit the temperature of the superconductor to a predetermined value, eg 300 K, if all of the winding energy is dumped into areas capable of disrupting superconductivity. The decay rate of the transport current when the energy of the magnet is released will depend on the inductance and temperature-dependent resistance of the regions capable of violating superconductivity.

Когда цепь ВТСП представляет собой генерирующую поле обмотку, способные к нарушению сверхпроводимости участки могут быть расположены так, чтобы вносить вклад в магнитное поле, или, альтернативно, они могут быть расположены неиндуктивно (то есть не внося значительный вклад в магнитное поле). Первое из упомянутых расположение особенно полезно для обмоток возбуждения, таких как обмотки тороидального поля, которые имеют участки (т.е. обратные ветви), которые не вносят значительную долю магнитного поля в интересующей области (радиус плазмы в случае обмотки ТП, которая находится близко к центральной колонне в сферическом токамаке). Это позволяет легко размещать систему нарушения сверхпроводимости внутри ВТСП-кабелей в обратных ветвях. Являющееся следствием этого понижение плотности тока в обратных ветвях не оказывает существенного вреда на рабочие характеристики магнита ТП.When the HTS circuit is a field-generating coil, the superconductivity-breaking regions may be positioned to contribute to the magnetic field, or alternatively, they may be positioned non-inductively (i.e., not significantly contributing to the magnetic field). The first of these arrangements is especially useful for field windings, such as toroidal field windings, which have regions (i.e., return branches) that do not contribute a significant fraction of the magnetic field to the region of interest (plasma radius in the case of a TC winding that is close to central column in a spherical tokamak). This makes it easy to place the superconductivity breaking system inside HTSC cables in return branches. The resulting decrease in the current density in the return branches does not significantly affect the performance of the TC magnet.

Claims (20)

1. Устройство для защиты от нарушения сверхпроводимости цепи ВТСП, содержащее цепь высокотемпературного сверхпроводника, ВТСП, причем цепь ВТСП содержит:1. An HTS circuit superconductivity protection device, comprising a high-temperature superconductor, HTS circuit, the HTS circuit comprising: способный к нарушению сверхпроводимости участок, содержащий материал ВТСП и соединенный последовательно с другими элементами цепи ВТСП, причем материал ВТСП содержит стопку ВТСП-лент, содержащую по меньшей мере одну ВТСП-ленту;capable of disrupting superconductivity section containing the HTS material and connected in series with other elements of the HTS circuit, and the HTS material contains a stack of HTS tapes containing at least one HTS tape; устройство дополнительно содержит:the device additionally contains: систему нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью нарушать сверхпроводимость материала ВТСП в способном к нарушению сверхпроводимости участке;a superconductivity breaking system configured to break the superconductivity of the HTS material in the superconductivity breaking portion; систему защиты от нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью детектировать условия, вероятно приводящие к нарушению сверхпроводимости в цепи ВТСП, и, в ответ на детектирование условий, вероятно приводящих к нарушению сверхпроводимости, заставлять систему нарушения сверхпроводимости нарушать сверхпроводимость сверхпроводящего материала в способном к нарушению сверхпроводимости участке для того, чтобы сбросить накопленную магнитную энергию из цепи ВТСП в способный к нарушению сверхпроводимости участок;a superconductivity breaking protection system configured to detect conditions likely to break superconductivity in the HTS circuit, and, in response to detecting conditions likely to break superconductivity, to cause the superconductivity breaking system to break superconductivity of the superconductive material in the superconductive breakable portion for in order to dump the accumulated magnetic energy from the HTSC circuit into a section capable of violating superconductivity; при этом цепь ВТСП выполнена так, что при применении магнитное поле на упомянутой или каждой ВТСП-ленте практически параллельно плоскости a-b ВТСП-ленты, а система нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью нарушать сверхпроводимость материала ВТСП путем создания дополнительного магнитного поля вдоль отрезка упомянутой или каждой ВТСП-ленты в пределах способного к нарушению сверхпроводимости участка, так что дополнительное магнитное поле имеет компоненту, перпендикулярную плоскости a-b ВТСП-ленты.wherein the HTSC circuit is designed so that when applying the magnetic field on the mentioned or each HTSC tape is practically parallel to the plane a-b of the HTSC tape, and the superconductivity disruption system is configured to disrupt the superconductivity of the HTSC material by creating an additional magnetic field along the section of the mentioned or each HTSC tape tape within the region capable of disrupting superconductivity, so that the additional magnetic field has a component perpendicular to the a-b plane of the HTS tape. 2. Устройство по п. 1, в котором каждый способный к нарушению сверхпроводимости участок имеет теплоемкость, достаточную для того, чтобы температура способного к нарушению сверхпроводимости участка оставалась ниже первой заданной температуры, когда энергия сбрасывается из цепи ВТСП в способный к нарушению сверхпроводимости участок, и удельное сопротивление, достаточное для того, чтобы вызвать падение тока цепи ВТСП достаточно быстро, чтобы температура той части цепи ВТСП, где было детектировано повышение температуры, оставалась ниже второй заданной температуры.2. The apparatus of claim 1, wherein each superconductive breaking portion has a heat capacity sufficient to cause the temperature of the superconductive breaking portion to remain below the first predetermined temperature when energy is dumped from the HTS circuit into the superconductive breaking portion, and a resistivity sufficient to cause the current in the HTS circuit to drop rapidly enough that the temperature of that portion of the HTS circuit where the temperature rise was detected remains below the second setpoint temperature. 3. Устройство по п. 1 или 2, в котором система нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью нарушать сверхпроводимость материала ВТСП путем создания дополнительного магнитного поля, перпендикулярного плоскости a-b ВТСП-ленты.3. The device according to claim 1 or 2, in which the superconductivity breaking system is configured to break the superconductivity of the HTS material by creating an additional magnetic field perpendicular to the a-b plane of the HTS tape. 4. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором система нарушения сверхпроводимости содержит источник тока и первый провод, который практически параллелен отрезку соответствующей ВТСП-ленты и находится практически в плоскости a-b соответствующей ВТСП-ленты, причем система нарушения сверхпроводимости обеспечивает дополнительное магнитное поле за счет пропускания тока через первый провод.4. Apparatus according to any preceding claim, wherein the superconductivity disruption system comprises a current source and a first wire that is substantially parallel to a section of the corresponding HTS tape and is located substantially in the a-b plane of the corresponding HTS tape, the superconductivity disruption system providing an additional magnetic field by transmitting current through the first wire. 5. Устройство по п. 4, в котором система нарушения сверхпроводимости содержит второй провод на другой стороне от соответствующей ВТСП-ленты относительно первого провода, причем второй провод практически параллелен отрезку соответствующей ВТСП-ленты и находится практически в плоскости a-b соответствующей ВТСП-ленты, при этом система нарушения сверхпроводимости обеспечивает дополнительное магнитное поле за счет пропускания тока через первый провод в одном направлении и через второй провод в противоположном направлении.5. The device according to claim 4, in which the superconductivity breaking system comprises a second wire on the other side of the corresponding HTS tape with respect to the first wire, and the second wire is practically parallel to a segment of the corresponding HTS tape and is located practically in the a-b plane of the corresponding HTS tape, when In this case, the superconductivity breaking system provides an additional magnetic field by passing current through the first wire in one direction and through the second wire in the opposite direction. 6. Устройство по п. 5, в котором способный к нарушению сверхпроводимости участок содержит множество стопок ВТСП-лент, размещенных своими плоскостями a-b параллельно локальному магнитному полю, и при этом система нарушения сверхпроводимости содержит провод между каждой парой смежных стопок ВТСП-лент, причем система нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью обеспечивать дополнительное магнитное поля за счет пропускания тока через провода таким образом, чтобы из двух проводов, смежных с каждой стопкой ВТСП-лент, один провод переносил ток в одном направлении, а другой провод переносил ток в противоположном направлении.6. The device according to claim 5, in which the section capable of breaking superconductivity contains a plurality of stacks of HTSC tapes placed with their planes a-b parallel to the local magnetic field, and the system for breaking superconductivity contains a wire between each pair of adjacent stacks of HTSC tapes, and the system superconductivity violation is configured to provide an additional magnetic field by passing current through the wires so that of the two wires adjacent to each stack of HTS tapes, one wire carries current in one direction, and the other wire carries current in the opposite direction. 7. Устройство по п. 6, в котором провода соединены последовательно.7. The device according to claim 6, in which the wires are connected in series. 8. Устройство по любому из пп. 2-7, в котором упомянутая первая заданная температура составляет примерно 700 К или, более предпочтительно, примерно 300 К.8. The device according to any one of paragraphs. 2-7, wherein said first setpoint temperature is about 700K, or more preferably about 300K. 9. Устройство по любому из пп. 2-8, в котором упомянутая вторая заданная температура составляет примерно 300 К, более предпочтительно примерно 200 К, предпочтительнее примерно 100 К.9. The device according to any one of paragraphs. 2-8, wherein said second setpoint temperature is about 300K, more preferably about 200K, more preferably about 100K. 10. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором каждый способный к нарушению сверхпроводимости участок дополнительно содержит несверхпроводящий стабилизатор.10. An apparatus according to any preceding claim, wherein each superconductive-breaking region further comprises a non-superconductive stabilizer. 11. Устройство по п. 10, в котором несверхпроводящий стабилизатор содержит металл, имеющий большее отношение удельного сопротивления к объемной теплоемкости, чем у меди, такой как нержавеющая сталь.11. The apparatus of claim. 10, wherein the non-superconductive stabilizer comprises a metal having a greater ratio of resistivity to volumetric heat capacity than copper, such as stainless steel. 12. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором цепь ВТСП представляет собой генерирующую поле обмотку, а способный к нарушению сверхпроводимости участок вносит вклад в магнитное поле генерирующей поле обмотки.12. An apparatus according to any preceding claim, wherein the HTS circuit is a field-generating coil and the superconductivity breaking portion contributes to the magnetic field of the field-generating coil. 13. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором цепь ВТСП представляет собой обмотку тороидального поля токамака, а способный к нарушению сверхпроводимости участок представляет собой участок обратной ветви этой обмотки тороидального поля.13. Apparatus according to any preceding claim, wherein the HTS circuit is the coil of the toroidal field of the tokamak, and the section capable of breaking superconductivity is the section of the return branch of this coil of the toroidal field. 14. Устройство по п. 13, в котором каждая обратная ветвь обмотки тороидального поля содержит способный к нарушению сверхпроводимости участок.14. The device according to claim 13, in which each return branch of the winding of the toroidal field contains a section capable of violating superconductivity. 15. Устройство по любому из пп. 1-12, в котором цепь ВТСП представляет собой обмотку тороидального поля токамака.15. The device according to any one of paragraphs. 1-12, in which the HTSC circuit is a winding of the toroidal field of the tokamak.

Images