Электрические контактные соединения обмоточных проводов и криогенные высоковольтные развязки для использования в высокополевых ВТСП катушках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ковальчук Олег Анатольевич

• Ковальчук Олег Анатольевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Ковальчук Олег Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОЧНОГО ПРОВОДА ВЫСОКОПОЛЕВОЙ ВТСП КАТУШКИ

1.1 Постановка задачи исследований

1.2 Общие подходы к конструированию низкоомных электрических КС обмоточных проводов высокополевых ВТСП катушек. Методика расчета

1.3 Принципы конструирования электрических КС высокополевых ВТСП катушек электромагнитных систем

1.4 Отработка технологии и изготовление опытных образцов электрических КС высокополевой ВТСП катушки

1.5 Разработка программы и методики испытаний опытных образцов электрических КС высокополевой ВТСП катушки

1.6 Испытательный стенд для исследования электрического сопротивления КС высокополевой ВТСП катушки при различных режимах

1.7 Исследования и анализ результатов испытания электрических КС высокополевой ВТСП катушки

1.8 Заключение по Главе №1

ГЛАВА 2. КРИОГЕННЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ РАЗВЯЗКИ

2.1 Постановка задачи исследований

2.2 Разработка принципов конструирования криогенных высоковольтных развязок

2.3 Разработка технологии и изготовление опытных образцов криогенных высоковольтных развязок с прямоточным и спиральным каналами

2.4 Разработка программы и методики испытаний опытных образцов криогенных высоковольтных развязок с прямоточным и спиральным каналами

2.5 Исследования и анализ результатов испытания криогенных высоковольтных развязок

2.6 Заключение по Главе №2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Получение сильных магнитных полей в электрофизических установках различного назначения - одно из наиболее важных и перспективных направлений развития прикладной сверхпроводимости. Среди установок, использующих эффект сверхпроводимости для получения сильных магнитных полей, наиболее известными являются:

1. Термоядерные установки типа токамак и стелларатор (Т-15, ИТЭР, LHD, W-7X и др.) [1];

2. Ускорители элементарных частиц (Большой адронный коллайдер, NICA и др.) [2];

3. Магнитно-резонансные томографы с индукцией магнитного поля до 12 Тл [3];

4. Сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН) энергии [4].

В высокополевых обмотках используются два типа сверхпроводников: низкотемпературные (НТСП) и высокотемпературные (ВТСП) [5, 6]. В магнитных полях более 20 Тл [7, 8, 9] применение НТСП неэффективно, поэтому уже с индукции магнитного поля свыше 16 Тл в сильнополевых обмотках электрофизических установок применяются ВТСП токонесущие элементы, способные обеспечить требуемый рабочий ток. Существует электрофизическая аппаратура, которая не может быть реализована с технической и/или экономической точки зрения без использования преимуществ ВТСП. К такой аппаратуре относятся ЭМС перспективных установок управляемого термоядерного синтеза (УТС), таких как проекты SPARC-ARC, ST160+, FFHRdl [10, 11 12] и отечественный токамак реакторных технологий ТРТ [13].

В представляемой работе ТРТ будет использоваться в качестве основной «площадки применения».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электрические контактные соединения обмоточных проводов и криогенные высоковольтные развязки для использования в высокополевых ВТСП катушках»

Актуальность темы исследования

Электрические КС обмоточных проводов высокополевой ВТСП катушки

С точки зрения электротехники сильноточный провод - это параллельное соединение большого числа единичных проводников, часто объединенных в группы - субкабели и кабель. Единичные проводники и субкабели могут быть

транспонированы или твистированы (скручены). Переход к использованию сильноточных проводов необходим, если нужно существенно снизить индуктивность катушек ЭМС, обеспечив возможность реализации сценарных режимов изменения тока. На практике сильноточный ВТСП представляет собой сложную конструкцию, включающую: токонесущую часть - ВТСП ленты; стабилизирующий металл (медь, алюминий и т.п.); механическую структуру; канал или каналы охлаждения.

При всем разнообразии конструктивных решений, используемых для создания ВТСП проводов, чаще всего в качестве токонесущих элементов используются стопки и другие более сложные конструктивы из ВТСП лент, что объясняется их структурными особенностями.

Обмотки катушек крупных ЭМС, содержащих десятки километров провода, обычно секционированы, что требует соединения секций в единую электрическую цепь посредством низкоомных КС. В большинстве случаев речь идет о КС проводов одинаковой конструкции («провод - провод»), содержащих количество ВТСП лент, рассчитанных исходя из сценарных условий работы обмоток в части магнитного поля, температуры и тока.

Помимо КС «провод - провод», в конструкции могут присутствовать контакты других типов. К ним относятся, например, КС обмоточного провода с соединительными ВТСП шинами источников тока (шинопроводами): КС «провод - ВТСП шина». Такие КС, как правило, находятся в магнитном поле, мало отличающемся от собственного поля провода, поэтому количество сверхпроводника в ВТСП шине, обеспечивающего номинальные значения рабочего тока, существенно меньше, чем в обмоточном ВТСП проводе. Поэтому в случае КС «провод - ВТСП шина» речь идет об электрическом соединении проводов разной конструкции.

Еще один тип КС - «ВТСП шина - токовый ввод» - предполагает конструкцию, в которой провод, содержащий ВТСП ленты, соединен с нормально проводящим проводом.

Первым из основных требований к КС любого типа является минимизация тепловыделений. Второе, не менее важное требование, сформулируем следующим образом: КС не должно являться причиной существенного изменения равномерности распределения тока по токонесущим элементам провода и по секциям обмотки.

Специфика требований к конструкции КС во многом определяется тем, что КС является продолжением обмоточного провода конкретной обмотки ЭМС, т.е. конструкция КС является производной от конструкции обмоточного провода, включает все его элементы, часто в несколько измененном виде, и в то же время выполняет все функции обмоточного провода: несет ток, обеспечивает надежность и механическую прочность. С другой стороны, КС является частью конструктивно сложной ЭМС, связывающей ее части - секции обмоток между собой, а также обмотки с шинами и токовыми вводами. Поэтому при разработке конструкции КС надо учитывать дополнительные условия, такие как универсальность и технологичность операций при сборке КС «на месте»; возможность сборки КС в условиях ограниченного пространства и доступа; необходимость разделения токовых и «гелиевых» коммуникаций и др. Однако основной функцией КС является электрический контакт токопроводящих элементов провода, как сверхпроводящих, так и нормальных. Электрический контакт должен быть выполнен таким образом, чтобы возмущения в обмотке, связанные с наличием контакта, не сказывались на работоспособности системы. Как сказано выше, речь идет о тепловыделениях в КС, а также о влиянии контакта на равномерность распределения транспортного тока в проводе. Суммируя вышесказанное, КС должны обеспечивать:

- низкое омическое сопротивление;

- относительно небольшие габариты - поперечное сечение и длина контактной зоны;

- выполнение условий универсальности и относительной простоты операций при сборке КС «на месте».

Важность получения КС с низким омическим сопротивлением и, соответственно, малым уровнем тепловыделений, показали, например, предварительные оценки потребностей системы криогенного обеспечения (СКО) ТРТ. Одним из основных источников тепловой нагрузки в ЭМС ТРТ [13] на гелиевом уровне являются КС обмоток тороидального поля (ОТП). ОТП состоят из секций (галет) и содержат более 100 КС межгалетного типа («провод - провод»), рабочий ток ОТП - 77 кА [13], режим работы - ОТП несут постоянный ток, соответствующий сценарным условиям. При величине омического сопротивления на уровне 5 нОм и ниже мощность, габариты и стоимость СКО находятся на приемлемом уровне (до 3 кВт / 900 млн руб.), при увеличении сопротивления до 10 нОм и выше омические потери в КС ОТП начинают доминировать в общем балансе тепловыделений, и названные параметры СКО возрастают практически пропорционально росту электрического сопротивления.

Таким образом, вопросы разработки методов создания и методик экспериментального исследования КС обмоточных проводов высокополевых ВТСП катушек актуальны и имеют важное научно-практическое значение, так как позволяют сократить расходы на изготовление и эксплуатацию высокополевых ЭМС.

Криогенные высоковольтные развязки

Еще одной важной особенностью работы большинства современных высокополевых ЭМС является наличие гальванических развязок, обеспечивающих электрическую изоляцию контура СКО и токовой цепи (сверхпроводниковые катушки, шины, токовводы и пр).

Как правило, высокополевые ЭМС установок УТС изготавливаются из сверхпроводящего сильноточного провода типа «кабель в оболочке», который представляет собой сверхпроводящий кабель, заключенный в силовую оболочку круглого или квадратного сечения из нержавеющей стали. В качестве хладагента используется жидкий гелий, который подается в структуру кабеля и обеспечивает охлаждение и работоспособность изделия. Кожух сверхпроводящего кабеля

находится под тем же электрическим потенциалом, что и сверхпроводник внутри кожуха.

В установках УТС при переходе сверхпроводника в резистивное (нормальное) состояние на обмотках может возникать напряжение до 70 и более кВ. Для электрической изоляции всех криогенных трубопроводов и сбросных линий СКО, имеющих «земляной потенциал», от высокого потенциала сверхпроводниковых обмоток, возникающего при эксплуатации ЭМС, используются криогенные высоковольтные электроизоляционные развязки. Они устанавливаются в сверхпроводниковых обмотках, охлаждаемых жидким или газообразным криоагентом при температуре 4,5 - 300 К и давлении до 30 ати, и гальванически развязывают элементы, охлаждаемые единым потоком криоагента, но находящимися под разными электрическими потенциалами.

В настоящее время высоковольтные развязки для криогенных применений промышленностью серийно не выпускаются, однако являются неотъемлемой частью сверхпроводниковых высокополевых ЭМС. Поэтому разработка конструкции и методик испытаний, а также организация производства таких развязок является актуальной задачей, авторские решения которой представлены в данной работе.

Степень разработанности темы диссертации

Электрические КС обмоточных проводов высокополевой ВТСП катушки

На сегодняшний день отсутствуют отечественные исследования в области разработки КС высокополевых магнитов с током свыше 50 кА, в конструкции которых применяются ВТСП провода. Также не были найдены подобные исследования и в зарубежной литературе. В то же время они необходимы для сокращения расходов на изготовление и эксплуатацию магнитных и кабельных систем при создании перспективных электрофизических установок, использующих сверхпроводниковое оборудование на основе сильноточных ВТСП проводов.

Как уже было сказано выше, низкоомные КС являются одним из важных условий использования ВТСП проводов, при этом конструкция КС является производной от конструкции провода. В качестве объектов разработки и

исследований в работе описаны два варианта отечественных сильноточных ВТСП проводов, предназначенных для ЭМС установки ТРТ и получивших условные обозначения MiST и VSS [14]. Соответственно, КС разрабатывались с учетом конструктивных особенностей данных ВТСП проводов.

Криогенные высоковольтные развязки

Криогенные высоковольтные развязки со сквозным каналом являются обязательной частью сверхпроводниковых ЭМС, имеющих прокачное охлаждение. Развязки обеспечивают подачу охлаждающего газа или жидкости (азот, неон, гелий), а также гальваническую развязку коммуникаций, имеющих «земляной потенциал», и выводных концов сверхпроводниковых обмоток, потенциал которых может отличаться от земляного на десятки киловольт. Развязки, которые, как правило, находятся в вакуумном объеме установки, должны быть герметичны во всем диапазоне рабочих температур (4 - 300 К) и давлений (0 - 30 ати), а также должны выдерживать механические напряжения, вызванные термомеханическими деформациями и электромагнитными нагрузками.

Отечественной промышленностью серийно не выпускаются криогенные высоковольтные развязки с требуемыми характеристиками, что является затруднением при разработке высокополевого сверхпроводникового оборудования.

Цель исследования

Целью исследования, проведенного автором, является разработка методов проектирования и изготовления, а также методик исследования:

- электрических КС сильноточных (до 100 кА) ВТСП проводов;

- высоковольтных криогенных развязок для криогенных коммуникаций, работающих в диапазоне температур 4,5-300К и избыточных давлений до 30 ати.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Электрические КС обмоточного провода высокополевой ВТСП катушки:

- разработать принципы конструирования трех типов электрических КС для высокополевых ВТСП катушек ЭМС, а именно: «провод - провод», «провод -ВТСП шина» и «ВТСП шина - токовый ввод»; провести расчетно-аналитические работы в обоснование выбора конструкций;

- обосновать технологию изготовления опытных образцов КС и разработать новые технологии изготовления низкоомных КС трех вышеуказанных типов;

- предложить конструкцию и изготовить полномасштабные опытные образцы КС высокополевой ВТСП катушки;

- разработать программу и методику испытаний опытных образцов КС высокополевой ВТСП катушки;

- создать испытательный стенд для измерения электрического сопротивления КС высокополевой ВТСП катушки при моделировании различных сценарных режимов (вариации значений тока, магнитной индукции и температуры);

- провести исследования изготовленных образцов КС в соответствии с разработанными методиками на созданном испытательном стенде и соотнести полученные результаты с расчетными.

2. Криогенные высоковольтные развязки:

- разработать принципы конструирования криогенных высоковольтных развязок со сквозным каналом, провести расчетно-аналитические работы в обоснование выбора конструкций;

- разработать и научно обосновать технологические приемы изготовления опытных образцов криогенных высоковольтных развязок с прямоточным и спиральным каналами;

- изготовить опытные образцы криогенных высоковольтных развязок;

- разработать программу и методику испытаний опытных образцов криогенных высоковольтных развязок;

- создать испытательный стенд для исследования влияния механических нагрузок (изгиб, кручение, растяжение/сжатие) на криогенные высоковольтные развязки;

- создать испытательный стенд для исследования герметичности криогенных высоковольтных развязок в диапазоне температур от 80 до 300 К;

- провести механические, термогидравлические и электрические испытания изготовленных образцов криогенных высоковольтных развязок и соотнести полученные результаты с результатами расчетно-аналитических работ.

Научная новизна исследования

Научная новизна исследования автора состоит в том, что:

1. На основании выполненных работ впервые предложены методы расчета и принципы конструирования электрических КС сильноточных обмоточных ВТСП проводов для высокополевых катушек;

2. Впервые предложена и научно обоснована технология изготовления трех типов электрических КС для высокополевых ВТСП катушек;

3. С применением новых подходов разработана программа и методика и проведены испытания опытных образцов электрических КС высокополевой ВТСП катушки с определением электрического сопротивления КС для различных сценарных режимов (значений тока, магнитной индукции и температуры);

4. Впервые разработаны принципы конструирования криогенных высоковольтных развязок с прямоточным и спиральным сквозными каналами;

5. Разработана и научно обоснована технология изготовления опытных образцов вышеуказанных криогенных высоковольтных развязок;

6. Изготовлены и испытаны опытные образцы и поставочные партии данных развязок для международного проекта ИТЭР [39].

Теоретическая и практическая значимость исследования

Практическое значение выполненного исследования может быть сформулировано следующим образом:

1. Выводы и практические рекомендации, сделанные на основе проведенных исследований, позволяют изготавливать электрические КС

сильноточных ВТСП проводов с сопротивлением менее 2 нОм. Результаты работы позволяют развить технологическую и аналитическую базу практического применения электрических КС сильноточных ВТСП проводов.

2. Разработанные технологии изготовления и методики испытаний электрических КС сильноточных ВТСП проводов могут быть использованы для изготовления и испытаний перспективных электротехнических установок, таких как новый российский токамак ТРТ и др. В результате могут быть существенно снижены требования к нагрузочным характеристикам СКО.

3. Результаты исследования позволили организовать отечественное производство криогенных высоковольтных развязок, необходимых для создания высокополевых ЭМС электрофизических установок.

4. В интересах международного проекта ИТЭР разработаны, серийно изготовлены и испытаны высоковольтные криогенные развязки на напряжения 30 и 4 кВ и избыточные давления до 30 ати. Развязки использованы при проведении квалификационных испытаний прототипов и моделей катушек ЭМС ИТЭР [39].

Методология и методики исследования

Требования к исследованию электрических КС сильноточных ВТСП проводов определялись технической спецификацией ЭМС установки ТРТ. Требования к параметрам высоковольтных криогенных развязок были разработаны на основе технической спецификации МО ИТЭР на прототипы развязок для квалификации катушек ЭМС реактора.

Все исследования были выполнены с использованием разработанных с участием автора измерительных систем, обеспечивающих требуемые точность и формат записи данных. Объектами исследований являлись опытные образцы КС сильноточных ВТСП проводов, а также опытные и поставочные образцы высоковольтных криогенных развязок на 30 кВ и 4 кВ для международного проекта ИТЭР.

Положения, выносимые на защиту

1. Методики расчета и новые подходы к разработке конструкции электрических КС на ток до 100 кА для высокополевых ВТСП катушек. Разработка

и исследования выполнены для трех типов КС: «провод - провод», «провод - ВТСП шина» и «ВТСП шина - токовый ввод».

2. Программа и методика исследования ВАХ КС сильноточных проводов класса до 100 кА для высокополевых ВТСП катушек.

3. Результаты исследования ВАХ КС обмоточного ВТСП провода класса до 100 кА в магнитных полях до 2 Тл и в диапазоне температур 4 - 20 К.

4. Методики расчета и новые подходы к разработке конструкции высоковольтных криогенных изоляционных развязок класса 30 и 4 кВ, работающих в диапазоне температур 4,5 - 300 К.

5. Программа и методика испытаний криогенных высоковольтных изоляционных развязок класса 30 и 4 кВ, обеспечивающая проверку развязок на герметичность, прочность, стойкость к изменению температуры и уровень выдерживаемого напряжения, и результаты их испытаний, соотнесенные с результатами расчетов.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность результатов работы обеспечивается совпадением с требуемой точностью результатов расчетно-теоретических работ и экспериментальных результатов, полученных при испытании опытных образцов КС сильноточных ВТСП проводов и высоковольтных криогенных изоляционных развязок класса 30 и 4 кВ. Разработанные методики были верифицированы на испытательных стендах. Для получения экспериментальных результатов исследований использовались поверенные средства измерения и аттестованное испытательное оборудование. Результаты данного диссертационного исследования были использованы при выполнении государственного контракта № Н.4к.241.09.23.1073 от 26.04.2023 на тему: «Создание эскизного проекта токамака с реакторными технологиями. Этапы 2023-2024 годов» и планируются быть использованы при выполнении опытно-конструкторской работы «Разработка технического проекта токамака с реакторными технологиями» в рамках государственного контракта 2025-2027 гг., что подтверждается Актом внедрения АО «НИИЭФА». Также результаты данного диссертационного исследования были использованы при выполнении

международного контракта №ITER/CT/12/4300000661 с Международной организацией ИТЭР на поставку 95 штук высоковольтных криогенных развязок (30 кВ и 4 кВ) для квалификационных катушек реактора, что подтверждается Актом выполненных работ.

Материалы по теме диссертационного исследования докладывались на 7 научных конференциях.

По теме диссертации опубликовано 11 (одиннадцать) печатных работ, в том числе 2 (две) статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ, а также 8 (восемь) статей, индексированных в базах Scopus и Web of Science; выпущено 4 (четыре) отчета о НИОКР.

ГЛАВА 1

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОЧНОГО ПРОВОДА ВЫСОКОПОЛЕВОЙ ВТСП КАТУШКИ

1.1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

ВТСП и НТСП провода бывают различного типа, но зачастую для решения научно-исследовательских задач в области создания крупногабаритных высокополевых ЭМС используются СП провода типа «кабель в оболочке». Данный тип СП проводов широко применяется в различных областях, связанных с получением сильных магнитных полей в больших объемах. Одной из областей применения таких СП проводов является ЭМС установок УТС, в частности токамаков.

При применении СП проводов определяющим критерием являются свойства используемых сверхпроводящих материалов. Основными рабочими характеристиками любого сверхпроводника являются так называемые критические температура и величина протекающего тока, а также внешнее магнитное поле. Превышение любого из перечисленных параметров сверх допустимого ведет к полному или частичному переходу сверхпроводника в нормальное (резистивное) состояние, которое приводит к активным тепловыделениям, способным в некоторых случаях физически разрушить сверхпроводник и, соответственно, вывести из строя ЭМС, в которой он используется.

Ярким примером практического применения НТСП проводов типа «кабель в оболочке» являются обмотки сверхпроводниковой ЭМС установки ИТЭР, в которой широко используются НТСП провода на основе ЫЪ^п и ЫЪТ (рисунок 1.1.1 и 1.1.2) [15, 16]. Максимальная единичная длина НТСП проводов ЭМС ИТЭР составляет около 1000 м, что определяет необходимость создания электрических КС для объединения длин проводов в единую электрическую цепь, поскольку суммарная длина НТСП проводов в катушках ЭМС ИТЭР составляет десятки километров.

1

2

Кожух из нержавеющей

1 - тороидальные катушки

2 - полоидальные катушки

3 - центральный соленоид

СП провода:

3

5

Субкабель сверхпровс ми жилами

Централы

спираль

4 - корректирующие катушки

5 - соединительные шины

Субкабельная изоляция

Рисунок 1.1.1 - Поперечные сечения различных СП-проводов типа «кабель в оболочке» и пример 3D вида одного из НТСП-проводов ЭМС ИТЭР Поперечное сечение КС НТСП провода типа «кабель в оболочке» представлено на рисунке 1.1.2 [17]. Основными конструкционными материалами, используемыми при изготовлении электрических КС сильноточных НТСП проводов типа «кабель в оболочке», являются нержавеющая сталь, обеспечивающая требуемую механическую прочность силовой структуры КС и его герметичность при работе в контуре охлаждения гелием, и медь, используемая в качестве низкоомного проводника [18, 19, 20, 21, 22].

контактная коробка из нержавеющей стали

медное основание

паяное соединение

сварка взрывом

сверхпроводник

Рисунок 1.1.2 - Пример поперечного сечения электрического КС НТСП провода

типа «кабель в оболочке»

Как уже упоминалось выше, в новых сильнополевых ЭМС электрофизических установок, таких как ТРТ, применение НТСП проводов часто становится невозможным вследствие превышения критических характеристик «температура - ток - внешнее поле». Поэтому при их конструировании применяют ВТСП провода, способные нести требуемый рабочий ток в сценарных магнитных полях. Такой провод использован, например, в конструкции ЭМС ТРТ.

Как правило, ВТСП провода состоят из большого числа базовых (единичных) проводников, соединенных параллельно и объединенных в группы - субкабели, которые могут быть транспонированы и/или твистированы [23]. ВТСП провода имеют достаточно сложную конструкцию, состоящую из токонесущей ВТСП части, стабилизирующего металла (медь, алюминий), механической силовой структуры, а также канала или каналов охлаждения. Примеры наиболее распространенных конструкций сильноточных ВТСП проводов представлены на рисунке 1.1.3 [24].

Рисунок 1.1.3 - Примеры конструкции сильноточных обмоточных ВТСП 2

проводов для ЭМС

Основным токонесущим элементом (субкабелем) во всех приведенных на рисунке вариантах ВТСП провода является стопка или скрутка лент, что объясняется конструктивными особенностями базового сверхпроводящего элемента - ВТСП ленты. Типичная структура общедоступной ВТСП ленты второго

поколения (ВТСП 2) шириной от 4 до 12 мм, выпускаемой отечественным производителем (ЗАО «СуперОкс»), представлена на рисунке 1.1.4 [25].

Рисунок 1.1.4 - Структура ВТСП 2 ленты Важной особенностью, на которую следует обратить внимание, является «асимметрия»/анизотропия слоев ленты. Подложка из нержавеющей стали или Хастеллоя (Hastelloy C276) и буферный слой, на который наносится сверхпроводящий слой (ReBCO), имеют весьма низкую электрическую проводимость, в то время как медные и алюминиевые слои, закрывающие ВТСП слой, являются хорошими проводниками.

На сегодняшний день разработаны несколько конструкций сильноточного ВТСП провода «кабель в оболочке», из которых для ЭМС ТРТ наиболее перспективными являются: MiST (Meander in Structure Transponded - «Меандр в структуре, транспонированный») и VSS (V-Shaped elements in Structure - «V-образные элементы в конструкции»), [14]. Конструкции данных проводов представлены на рисунках 1.1.5 и 1.1.6 соответственно.

Рисунок 1.1.5 - Сильноточный провод на базе транспонированных стопок из профилированной ленты (MiST) для ЭМС ТРТ

Рисунок 1.1.6 - Сильноточный твистированный провод на базе стопок лент, уложенных в У-образную структуру (VSS) для ЭМС ТРТ Конструкция провода типа MiST предполагает работу в магнитном поле до 18 Тл при рабочем токе 60 - 80 кА и максимальной температуре 15 - 20 К. Конструкция провода типа VSS рассчитана на ток до 50 кА.

Конструктивно и MiST, и VSS представляют набор субкабелей (стопки ВТСП лент), уложенных в медный формер и окруженных силовой герметичной стальной оболочкой. Для охлаждения сверхпроводника внутри силовой стальной оболочки предусмотрен канал для протекания хладагента (гелий). Из практики производства СП проводов единичная длина ВТСП проводов MiST и VSS на сегодняшний день не превышает 1000 м, что определяет необходимость решения вопроса низкоомных электрических соединений.

Данная глава посвящена расчету и разработке принципов конструирования трех типов КС, обеспечивающих минимизацию электрического сопротивления: «провод - провод», «провод - ВТСП шина» и «ВТСП шина - токовый ввод».

Также в главе рассматриваются изготовление и испытания вышеуказанных КС для подтверждения соответствия выдвигаемым к ним требованиям.

Как уже отмечалось выше, разработка и проведение исследований КС в данной работе описаны для отечественных сильноточных ВТСП проводов, предназначенных для ЭМС установки ТРТ: MiST и VSS [14]. КС разрабатывались с учетом их конструктивных особенностей. При этом в данной работе не рассматриваются требования к герметичности силовых оболочек и требования к механической прочности проводов и КС.

Принцип создания герметичного кожуха КС ВТСП «кабелей в оболочке», обеспечивающего требуемую механическую прочность КС, был заимствован у КС НТСП проводов установки ИТЭР, результаты разработки которых представлены на рисунке 1.1.2 и в работах [26, 27, 28].

1.2 ОБЩИЕ ПОДХОДЫ К КОНСТРУИРОВАНИЮ НИЗКООМНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КС ОБМОТОЧНЫХ ПРОВОДОВ ВЫСОКОПОЛЕВЫХ ВТСП КАТУШЕК. МЕТОДИКА РАСЧЕТА

Главная функция КС - обеспечение электрического контакта между токопроводящими элементов провода, как сверхпроводящими, так и нормальнопроводящими. КС должны быть выполнены таким образом, чтобы их наличие не сказывалось на работоспособности ЭМС, то есть они должны иметь минимальные тепловыделения, связанные с омическим сопротивлением, а также не влиять на равномерность распределения транспортного тока в ВТСП проводе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ковальчук Олег Анатольевич, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Vasilij Glukhikh, Oleg Filatov and Boris Kolbasov, «Fundamentals of Magnetic Thermonuclear Reactor Design», Edited by //Copyright © 2018 Elsevier Ltd.

2 Hamlet G. Khodzhibagiyan et al, «Production and Test Status of the Superconducting Magnets for the NICA Project and the SIS100 Synchrotron», IEEE Transactions on applied superconductivity, VOL. 29, №. 5, August 2019, D01:10.1109/TASC.2019.2901591.

3 Bolin Qin and Jia-Hong Gao/ Ultrahigh-Field Magnetic Resonance Imaging: Current Status and Perspectives//Acta Physica Sinica 74(7), January 2025, DOI: 10.7498/aps.74.20241759.

4 U. Akram, M. Nadarajah, R. Shah and F. Milano «A review on rapid responsive energy storage technologies for frequency regulation in modern power systems», Renewable and Sustainable Energy Reviews 120 (2020) 109626, doi.org/10.1016/j.rser.2019.109626.

5 Волков Э.П., Высоцкий B.C., Карпышев А.В., Костюк В.В., Сытников В.Е., Фирсов В.П., «Создание первого в России сверхпроводящего кабеля с использованием явления высокотемпературной сверхпроводимости», Инновационные технологии в энергетике: с использованием высокотемпературной сверхпроводимости в электроэнергетике/ под ред. Э.П. Волкова, В.В., Костюка; РАН. М.: Наука, 2010.

6 Сытников В.Е., Высоцкий В.С. Основы конструирования высокотемпературных сверхпроводящих силовых кабелей // Известия Российской академии наук. Энергетика. - 2008. - N 1.

7 Сверхпроводимость, В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин, Альфа-М, 2006 г.

8 Сверхпроводниковые электрические машины // Сб. научных трудов / Ред. В.Г. Новицкий. - Л.: ВНИИэлектромаш, 1983.

9 Уилсон М. Сверхпроводящие магниты. - М.: Мир, 1985.

10 Z. Hartwig, «Ultra-high magnetic field fusion energy»/Intemational Conference on Magnet Technology, Presented at MT-26, September 22-27,2019 Vancouver, https://indico.cern.ch/event/763185/contributons/3527144.

11 M. Gryaznevich, et al, «Advancing Research Towards Steady-state operation: ST40 project» 9th IAEA Technical Meeting on Steady State Operation 0f Magnetic Fusion Devices, March 2016, IAEA, Viena.

12 A. Sagara et al, «Two conceptual designs of helical fusion reactor FFHR-d1A based in ITER technologies and challenging ideas», Nuclear fusion 57(2017) doi: 10.1088/1741-4326/aa6b12.

13 Э.Н. Бондарчук, А. А. Воронова, С. А. Григорьев, Е.Р. 3anpernmHaa, А. А. Кавин, Б. А. Китаев, О.А. Ковальчук, Н.М. Кожуховская, С.В. Коновалов, А.В. Красильников, А.Н. Лабусовa, И.И. Максимов, А.Б. Минеев, В.П. Муратов, И.Ю. Родин, В.Н. Танчук, В.А. Трофимов, А.К. Чердаков, В.В. Черненок, «Инженерно-технические аспекты электромагнитной системы установки ТРТ»/ Физика плазмы, 2021, том 47, №12, с.1070-1086.

14 V. E. Sytnikov, S. A. Lelekhov, A. V. Krasilnikov, V. V. Zubko, S. S. Fetisov, V. S. Vysotsky, «Advanced Variants of HTSC Wires for ТRТ Electromagnetic System», Plasma Physics Reports, 2021, Vol. 47, No. 12, pp. 1204-1219. © Pleiades Publishing, Ltd., 2021. Russian Text © The Author(s), 2021, published in Fizika Plazmy, 2021, Vol. 47, No. 12, pp. 1087-1102.

15 G. Romano et al., «Mechanical Properties of ITER Coil CICC Steel Jackets Production», IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.26 No., Jun. 2016, art. 4803304.

16 Vysotsky et all «Status and Achievements in Production of ITER TF Conductors and PF Cables in Russian Cable Institute», IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol., 22, No: 3, June 2012, article: 4200505.

17 F. Simon, C. Boyer, Y. Ilyin, C. Beemsterboer, and B. S. Lim, «Design of the ITER PF coil joints», IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 22, no. 3, Jun. 2012, Art. no. 4804104.

18 X. Huang et al., «Design and test results of joints for ITER TF feeder current leads and superconducting Busbars», IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 20, no. 3, pp. 1722-1724, Jun. 2010.

19 P. Decool et al., «JT-60SA TF Magnet Joints Developments and Prequalification» IEEE Trans. Appl. Supercond., IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 22, no. 3, Jun. 2012, Art. no. 4202504.

20 R. Zanino, S. Egorov, K. Kim, N. Martovetsky, Y. Nunoya et. al., «Design and Manufacture of a Full-Size Joint Sample (FSJS) for the Qualification of the Poloidal Field (PF) Insert Coil», IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 15 No. 2, pp. 1379-1382, June 2005.

21 H. Kajitani et al., «Evaluation of ITER TF coil joint performance», IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 25, no. 3, Jun. 2015, Art. no. 4202204.

22 Y. Ilyin et al., «Design and qualification of joints for ITER magnet Busbar system», IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 26, no. 4, Jun. 2016, Art. no. 4800905

23 О.А. Ковальчук, Г.В. Муравьев, В.И. Никишкин, В.С. Овсянников, И.Ю. Родин, Д.Б. Степанов, М.В. Дубинин, А.В. Кащеев, В.Е. Сытников, «Разработка ВТСП кабельных линий для систем вывода мощности от источников генерации и протяженных линий передачи энергии», Сверхпроводимость: фундаментальные и прикладные исследования, 2024, №2, с. 14-30.

24 N. Yanagi, et al, «Challenge on demountable/segmented coil concept for high-temperature superconducting magnet»/ fifth IAEA DEMO Program Workshop (DPW-5), May 7-10,2018.

25 A. Molodyk et al, «Development and large volume production of extremely high current density YBa2Cu3O7 superconducting wires for fusion» /https: //doi. org/10.1038/s41598-021 -81559-z.

26 Марушин Е.Л., «Разработка методов создания и экспериментальное исследование низкоомных электрических контактных соединений сверхпроводящих кабелей в оболочке»: дисс. канд. техн. наук. Санкт-Петербург. АО «НИИЭФА», 2020. 132 с.

27 Bondarenko V.I., Egorov B.I., Klimchenko Y.A., Kovalchuk O.A., Marushin E.L., Mednikov A.A., Rodin, I.Yu., Yarota V.M. «Technology and Tooling to Manufacture Low-Ohm Electrical Joints of the ITER PF1 Coil». Applied Superconductivity, IEEE Transactions on Applied Superconductivity (Volume: 23, Issue: 3), June 2013.

28 M.V. Sukhanova et al. «Design of PF-1 coil helium inlet and dummy joint samples for fatigue tests at T=77 К», AIP Conf. Proc, Advances in Cryogenic Engineering. Transactions of the Cryogenic Engineering Conference - CEC, Amsterdam, Holland, 2014, pp. 717-721.

29 «Investigation of trade-off solution in mechanical edge joint of STARS conductors»/Journal of Physics: Conference Series 1559(2020)012110 doi: 10.1088/1742-6596/1559/012110.

30 «Mechanical and electrical characteristics of a bridge-type mechanical joint»/IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol26 No2, March 2016.

31 А.В. Березовский, А.С. Бурсиков, О.С. Васильева, Д.В. Глушаев, Е.Р. Запретилина, А.А. Ланцетов, А.А. Медников, И.Ю. Родин, Т.А. Хон, Д.Л. Юрин «Разработка контактного соединения обмоточного провода высокополевой ВТСП 2 магнитной катушки». Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез, 2023, т. 46, вып. 4.

32 Z. Hartwig et al, «VIPER: an industrial scalable high-current high-temperature superconductor cable»/ Supercond. Sci. Technol. 33(2020) 11LT01(8pp)// htts://doi/org/10.1088/1361-668/abb8c0.

33 А.В. Березовский, А.С. Бурсиков, О.С. Васильева, Д.В. Глушаев, Е.Р. Запретилина, О.А. Ковальчук, А.А. Ланцетов, А.А. Медников, Т.А. Хон, Д.Л. Юрин «Изготовление и испытания макетов контактного соединения обмоточного провода высокополевой ВТСП 2 магнитной катушки». Кабели и провода, 2024, вып. 5 (409), с. 15-24.

34 Каганер М. Г., «Тепловая изоляция в технике низких температур». - М.: Машиностроение, 1966. - 275 с.

35 Kovalchuk O., Marushin E., Mednikov A., Rodin I., Safonov A., Sukhanova M. Stepanov D., «PF1 coil joint fatigue test results at LN2», Refrigeration Science and Technology. 15. 2019. С. 385-392.

36 Design Description Document, ITER DDD 11, Magnet, Section 1. Engineering Description, September 2004.

37 Под ред. М.П. Малкова «Справочник по физико-техническим основам криогеники». изд. 2-е перераб. и доп. М., «Энергия», 1973.

38 Kovalchuk OA., Marushin E.L., Mednikov A.A., Rodin I.Y., Stepanov D.B., Safonov A.V., Ilyin Y., Bruzzone P., Stepanov B. «Test of PF1 Coil Electrical Joint» // IEEE Transactions on Applied Superconductivity - 2018, Vol. 28, No. 3.

39 N. Mitchell et al., «The Iter magnet system», IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 18, no. 2, pp. 435-440, Jun. 2008.

40 «Техника высоких напряжений», Под ред. М. В. Костенко. Учебное пособие для вузов. М., «Высш. школа», 1973. 528 с. с илл.

41 J. Gerhold, «Properties of cryogenic insulants», Cryogenics, Volume 38, Issue 11, November 1998, Pages 1063-1081.

42 M. Hara and H. Okubo, «Electrical insulation characteristics of superconducting power apparatus», Cryogenics, Volume 38, 1998, Pages 1083-1093.

43 S.W. Schwenterly, «High-voltage testing of superconducting power apparatus», Cryogenics, Volume 38, Issue 11, November 1998, Pages 1115-1122.

44 Bauer, K., Fink, S., Friesinger, G., Ulbricht, A., & Wüchner, F. «The electrical insulation system of a forced flow cooled superconducting (sc) magnet», Cryogenics, 1998, Volume 38(11), Pages 1123-1134.

45 B. Lim, F. Simon, Y. Ilyin, C. Y. Gung, J. Smith, Y. H. Hsu, C. Luongo, C. Jong, and N. Mitchell, "Design of the ITER PF Coils", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 21 No.3, pp. 1921-1918, 2010.

46 Bondarenko V., Egorov S., Lamzin E., Korsunsky V., Rodin I., Voronin N., «Components of thermal and electrical insulation for the superconducting magnet systems». - IEEE Transactions on Аpplied superconductivity, 2005, Vol. 15, No 2-part II, pp. 1435-1438.

47 Design Description Document, ITER DDD 11-4: PF Coils and Supports, 2LGJUP.

48 ITER, Technical Specification to Procurement Arrangement, № 1.1.P3A.RF.01.

49 Rodriguez-Mateos F., Technical Specification: Axial Insulating Breaks for the Qualification Phase of ITER Coils and Feeders, 9FJFVB.

50 Bursikov A.S., Rodin I.Y., Sukhanova M.V., Mednikov A.A., Nasluzov S.N., Stepanov D., Kovalchuk O.A., Marushin E.L., Safonov A.V., Akulitsky S.G. «Mechanical Tests of the ITER's PF-1 Coil Electrical Insulation Qualification Samples at 77 K» // IEEE Transactions on Applied.

51 Солнцев Ю.П., Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике, Справочник // Л.: Машиностроение, 1982.

52 Yukikazu Iwasa. Case Studies in Superconducting Magnets, Design and Operational Issues, Second Edition //Springer Science+Business Media, 2009.

53 Design Description Docum, ITER DDD 1.1 Appendix C, Design criteria N 11 RI 01 94-06-30 W2.

54 «Технологический процесс изготовления» №3240-01-2014, АО «НИИЭФА», 2013.

55 A.S. Bursikov, S.A. Egorov, Yu.A. Klimchenko, O.A. Kovalchuk, E.L. Marushin, A.A. Mednikov and I.Yu. Rodin. «R&D of insulating and vacuum pressure impregnation equipment for PF1 coil double pancakes». IEEE Transactions on Applied Superconductivity (Volume: 23, Issue: 3), June 2013.

56 A.S. Bursikov, N.M. Voronin, S.M. Gavrilov, V.A. Grinchenko, Yu.A. Klimchenko, V.A. Korsunskiy, O.A. Kovalchuk, A.A. Lancetov, E.L. Marushin, A.A. Mednikov, I.Yu. Rodin, A.V. Safonov, «Novel Cryogenic High Voltage Insulation Breaks with Spiral Channel», AIP Conf. Proc, Advances in Cryogenic Engineering. Transactions of the Cryogenic Engineering Conference - CEC, Anchorage, Alaska, USA, 17-21 June 2013, page 1700-1706.

57 Kovalchuk O.A., Safonov A.V., Rodin I.Y., Mednikov A.A., Lancetov A.A., Klimchenko Y.A., Grinchenko V.A., Voronin N.M., Smorodina N.V., Bursikov A.S.

"Cryogenic High Voltage Insulation Breaks for ITER" // Physics Procedia - 2015, Vol. 67, pp. 698-704.

58 A.A. Khitruk, Yu.A. Klimchenko, O.A. Kovalchuk, E.L. Marushin, A.A. Mednikov, S.N. Nasluzov, E.K. Privalova, I.Yu. Rodin, D.B. Stepanov and M.V. Sukhanova, «1000-ton Testing Machine for Cyclic Fatigue Tests of Materials at Liquid Nitrogen Temperatures», AIP Conf. Proc, Advances in Cryogenic Engineering. Transactions of the Cryogenic Engineering Conference - CEC, Anchorage, Alaska, USA, 17-21 June 2013, page 1269-1276.

59 Новотельнов В.Н., Акулов А.А., Борзенко Е.И. Теплофизические свойства азота: Методические указания. - Л.: ЛТИХП, 1988. - 29 с.

60 Акулов Л.А., Борзенко Е.И., Зайцев А.В. Теплофизические свойства и фазовое равновесие криопродуктов. Справочник. СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. - 567 с.

61 Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972 - 720 с.

62 Самойленков С.В., Щербаков В.И. Отчет о НИР: «Разработка, изготовление и испытание макета провода класса 20 Тл, 20 К на токм5-8 кА типа «стопка ВТСП 2 лент в кожухе» для электромагнитных систем нового поколения», ЗАО «Суперокс», Рег. №1410-2022, 2022 г. - 43 с.

63 БИ2-085-2022 ПМ, Программа и методика испытаний контактных соединений опытных образцов электрических контактных соединений высокополевой ВТСП катушки, АО «НИИЭФА».

64 3А.549.052 ПМ, Программа и методика испытаний криогенных высоковольтных кабельных развязок «тип 4 кВ», АО «НИИЭФА».

65 2А.519.841 ПМ, Программа и методика испытаний криогенных высоковольтных кабельных развязок «тип 30 кВ», АО «НИИЭФА».

ПРИЛОЖЕНИЕ

« УТВЕРЖДАЮ» Генеральный директор

АО «НИИЭФА»

_ С,В, Герцог

2025 г.

« »

АКТ

внедрения результатов диссертационного исследовании на сои с кара не ученой степени кандидата технически* наук Ковал ьчугефявга Анагольеннча на тему: «Контактные соединения и криогенные высоковольтные кабельные развкэш оймоточ]соси провода высоком левых В ГС! 1-кату:лск»

Комиссия в состав^

Еиинм! Руста и Швмнлинч (председатель «ом и сени, зам. генерального дирск1чра го термоядерным и магнитным технологиям - директор НТЦ «Синтез»),

С ы невскии Сергеи Евгеньевич [член комиссии, главный научный сотрудник, за.ч. председателя НТС НТЦ

Кинстннтннпв Алексей Юрьевич (член комиссии, зам. директора 11ТЦ «Синтез» - главный конструктор)

подтверждает, что результаты диссергационного исследования Ковальчуха А. на тему: «Контактные соединения Л криогенные высоковольтные кабельные рщвлзкн обмоточного провода высокополевых ВТСП-катушек» прещеташыют практический интерес и были использованы при выполнений государственного контракта № Н.4к.241.09-23-1075 от 26.04.2023 и а тему: «Создание эскизного проекта токам ака с реакторными технологиями Этапы 2023-2024 годов» и планируются быть использованы при выполнение олытно-конструкторекой работы «Разработка технического проекта токамака с реакторным и технологиями^ н рамках государственного контракта 2025-2027 гг.

Члены комиссии;

Сычеаскин СТ.