«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2011, www.kabel-news.ru
36
Тема номера
ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ
С
верхпроводящие магни-
ты/системы имеют ряд
преимуществ — малые
площади для установки
и более высокие плотности мощ-
ности, что дает разработчикам
большую свободу при принятии
необходимых решений.
Доступность высококачест-
венных сверхпроводящих мате-
риалов способствовала разра-
ботке сверхпроводящих магни-
тов с высокой напряженностью
поля. Такие магниты, как пра-
вило, изготавливались на осно-
ве низкотемпературных сверх-
проводников (LTS), в основном
NbTi и Nb3Sn. Системы на базе
LTS работают при крайне низких
температурах (-269
o
С), которые
обеспечиваются жидким гели-
ем или менее эффективным пря-
мым охлаждением. Альтернати-
вой LTS является использование
материалов, обладающих сверх-
проводимостью при высоких тем-
пературах (HTS). При этом суще-
ственно снижаются требования
к системе охлаждения, обеспе-
чивающей необходимые плотно-
сти тока. Кроме того, проводни-
ки HTS имеют меньшие потери
на переменном токе и облада-
ют большей тепловой стабильно-
стью по сравнению с проводника-
ми LTS.
Доступность высокотемпера-
турных сверхпроводников второ-
го поколения (2G HTS) на базе
редкоземельного соединения ба-
рия с окислом меди [(RE)BCO]
позволяет рассматривать при-
менение магнитов и кабелей для
различных областей. Высокое
значение критических плотности
тока и напряженности поля про-
водников обеспечивает возмож-
ность существенного улучше-
ния общих характеристик совре-
менных сверхпроводящих магни-
тов, в которых используются про-
водники LTS и первое поколение
проводников HTS.
В настоящее время изготовле-
ние высококачественных провод-
ников 2G HTS находится в стадии
разработки. В течение послед-
них нескольких лет технологии из-
готовления материалов 2G HTS
весьма быстро прогрессировали,
что привело к существенным до-
стижениям в повышении величин
критического тока, длины провод-
ника (больше километра) и тре-
буемых характеристик магнитно-
го поля. При этом увеличивалась
производительность и снижалась
стоимость производства.
ПРОВОД 2G HTS ДЛЯ
ПРИМЕНЕНИЯ В МАГНИТАХ
Целесообразность использо-
вания сверхпроводящего про-
водника в магнитах определена
возможностью передачи по нему
больших электрических токов
(работа при высоких плотностях
тока) и его специфическими ме-
ханическими свойствами, позво-
ляющими избежать проблем с ме-
ханическими перенапряжениями,
возникающими при изготовлении,
охлаждении и эксплуатации.
Структура провода 2G HTS
типа SuperPower®
Типовая структура провода
второго поколения, обладающе-
го сверхпроводимостью при вы-
сокой температуре, изготавли-
ваемого компанией SuperPower
Inc., показана на рис. 1. Подложка
здесь выполняет две функции —
она является механической осно-
вой всей структуры, и на нее на-
носятся верхние слои. Типовая
конструкция провода: подлож-
ка из Hastelloy® C276 толщиной
50 мкм, буферный слой
0,2 мкм,
слой HTS — около 1 мкм, слой се-
ребра толщиной 1 мкм и внешние
слои (стабилизатор) из меди тол-
щиной 40 мкм.
Особенности применения
сверхпроводящих
кабелей
Применение сверхпроводящих магнитов и кабелей позволило создать инно-
вационные технологии, открыло новые возможности для достижений в об-
ласти физики твердого тела, биологии, химии, материаловедения, транспор-
та, магнитного резонанса, ускорения частиц, коллайдеров, оборудования для
сварки, получения и использования энергии.
Дрю У. Хэзелтон, главный инженер,
Ю-Хуань Хи, SuperPower Inc.
«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2011, www.kabel-news.ru
37
Тема номера
ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ
Подложка из сплава на осно-
ве никеля (обычно это Hastelloy®
C276) имеет толщину 50 или 100
мкм, достаточную для того, что-
бы обеспечить передачу в за-
конченной конструкции рабо-
чих токов с высокой плотностью
(Je), что является принципиаль-
но важным требованием при ис-
пользовании сверхпроводников
в магнитах. Подложка подверга-
ется электромеханической поли-
ровке (ЕР) для обеспечения ше-
роховатости поверхности не бо-
лее 2 нм. При этом поверхность
подложки оказывается достаточ-
но гладкой для нанесения мето-
дом ионного осаждения следую-
щего, буферного слоя, структуры
из окиси магния, который рабо-
тает как диффузионный барьер,
обеспечивая согласование слоев
структуры и являясь основой для
выращивания тонкого слоя токо-
проводящего высокотемператур-
ного сверхпроводника. Для выра-
щивания сверхпроводящего слоя
из YBCO используется метод хи-
мического осаждения (рис. 2) из
газовой фазы металлоорганиче-
ских соединений (MOCVD).
К достоинствам метода
MOCVD относят высокую ско-
рость осаждения — 0,7 мкм/мин
и возможность осаждения на по-
верхность большой площади, что
обеспечивает высокую произво-
дительность технологического
процесса. Слой из сверхпроводя-
щего материала YBCO покрыва-
ется тонким слоем серебра для
хорошего электрического кон-
такта. Стабилизация проводни-
ка обеспечивается электролити-
ческим покрытием всей конструк-
ции слоями меди.
Использование этого процесса
позволяет изготавливать мульти-
проводниковые структуры. Стан-
дартный провод SuperPower на
основе высокотемпературного
сверхпроводника второго поко-
ления типа SCS 4050 имеет ши-
рину 4 мм. В его конструкцию
входит подложка 50 мкм, буфер-
ный слой толщиной около 2 мкм,
слой YBCO толщиной приблизи-
тельно 1 мкм, слой серебра тол-
щиной 2 мкм и внешний медный
стабилизатор (SCS) общей тол-
щиной 40 мкм.
Токопроводящая
способность
сверхпроводника 2G HTS
Возможность передавать боль-
шие токи при рабочих температу-
рах является основной причиной
использования сверхпроводящих
проводов в магнитах. Токопрово-
дящая способность провода ха-
рактеризуется зависимостью кри-
тического тока (Ic) от рабочей
температуры (Т) и уровня магнит-
ного поля (В), в котором работает
обмотка, то есть Ic (B,T).
Начальное значение критиче-
ского тока для этого провода при
температуре 77К в собственном
поле равно 100 А. Высокая токо-
проводящая способность сверх-
проводника второго поколения
SCS компании SuperPower в со-
Рис. 1. Структура
провода 2G HTS компании
SuperPower®
медь
серебро
HTS
буфер
подложка
медь
Рис. 2. Камера MOCVD,
используемая для нанесения
слоя материала 2G HTS
на буферную подложку
четании с небольшой площадью
поперечного сечения позволяет
использовать его при больших
плотностях тока Ic, соизмеримых
со значениями этого показателя
для проводов других производи-
телей.
Механические свойства
провода 2G HTS
Для обеспечения нормальной
работоспособности в течение все-
го времени эксплуатации провод
2G HTS должен сохранять свою
токопроводящую
способность
при изготовлении из него обмот-
ки магнита, при тепловых и меха-
нических нагрузках во время про-
изводства и нормальной рабо-
ты. К достоинствам провода 2G
HTS компании SuperPower отно-
сится наличие в нем структурно-
го элемента — подложки из спла-
ва Hastelloy
®
C276, что исключает
необходимость в дополнительном
внешнем механическом упрочне-
нии и дает возможность исполь-
зовать провод при высоких плот-
ностях тока.
Проведенные недавно изме-
рения усилий растяжения-сжатия
показали, что напряжения при
растяжении провода вплоть до
уровня 700 МПа являются допу-
стимыми и только при более вы-
соких напряжениях может на-
ступить необратимая деграда-
ция — по величине критическо-
го тока. Кроме того, испытания
на осевую нагрузку (минималь-
ная нагрузка/максимальная на-
грузка = 0,1) при ее различных
уровнях проводились циклами до
100 тысяч раз. Результаты испы-
таний показали, что практически
для всех важных случаев провод
2G HTS имел усталостную проч-
ность, сравнимую с предельной
нагрузкой на ленту, при которой
наступало необратимое ухудше-
ние характеристик. Такая высо-
кая прочность имеет существен-
ное значение, когда рассматри-
ваются реальные нагрузки (те-
пловые, механические, магнит-
ные), имеющие место при эксплу-
«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2011, www.kabel-news.ru
38
атации. Преимущества использо-
вания такого провода при боль-
ших напряжениях наглядно про-
демонстрированы на рис. 3, где
сравниваются условия приме-
нения различных проводов, об-
ладающих сверхпроводимостью
при низких (LTS) и высоких (HTS)
температурах.
Тепловые напряжения возни-
кают в структуре обмотки при ее
охлаждении, а также при темпе-
ратурных перепадах, которые мо-
гут возникать в аварийных ситуа-
циях и других нештатных случаях.
Дополнительные факторы,
которые важны при
использовании провода 2G HTS
в обмотках магнитов
В большинстве случаев требу-
ются длинные провода для умень-
шения количества соединений их
отрезков, из которых изготавли-
ваются обмотки. Провода из ма-
териала 2G HTS производятся не-
прерывной длины до 1300 м. От-
резки проводов длиной несколько
сотен метров, как правило, обла-
дают в высокой степени идентич-
ными характеристиками Ic.
Применение провода 2G HTS
Из провода 2G HTS были из-
готовлены разнообразные катуш-
ки для демонстрационных целей.
Одна из них, витки которой испы-
тывали в процессе работы силь-
ные механические напряжения,
предназначалась для создания
мощных магнитных полей. Эта ка-
тушка в виде плоского соленои-
да была изготовлена из стандарт-
ного провода SCS 4050 шириной
4 мм и длиной приблизительно
460 м. Фотография магнита, где
использована эта катушка, пред-
ставлена на рис. 6.
Рис. 3. Сравнение областей
допустимых значений
рабочих параметров «нагруз-
ка — деформация» для сверх-
проводников LTS и HTS
при температуре 4,2 К
удлинение, %
нагрузка, МПа
SP 2G HTS – большой ток Je
Высокопрочный 1G HTS –
средние значения Je
Je Nb
3
Sn –
сред. знач. Je
Низкая прочность –
1G HTS – сред. знач.
Рис. 4. Секция кабеля Рёбеля,
изготовленная в KIT c исполь-
зованием провода SP 2G HTS
Для уменьшения потерь при
соединении отрезков проводов в
обмотках, изготовленных из ма-
териала 2G HTS, может быть ис-
пользована конструкция кабеля,
предложенная Рёбелем (Roebel).
Эта конструкция позволяет ра-
ботать при повышенных рабочих
токах, уменьшать индуктивность
обмотки и обеспечить необхо-
димые снижения потерь в про-
воде на переменном токе. При-
мер кабеля конструкции Рёбе-
ля, изготовленного из провода
SuperPower 2G HTS в Институ-
те технологии (KIT) г. Карлсруэ,
представлен на рис. 4.
Секция кабеля Рёбеля обла-
дает передаточными свойства-
ми, необходимыми для снижения
составляющей потерь при соеди-
нении отрезков проводов в вели-
чине общих потерь на перемен-
ном токе. Полная ширина кабе-
ля — 12 мм.
Изоляция обмоток является
крайне важным компонентом в
конструкции магнита. Одним из
способов обеспечения необходи-
мой изоляции стала одновремен-
ная мокрая намотка изоляции и
провода в процессе изготовления
магнита с использованием жид-
кой эпоксидной смолы в вакууме.
Для больших катушек, в осо-
бенности если они могут подвер-
гаться воздействию полей пере-
менного тока, рекомендуется ва-
куумная пропитка обмоток эпок-
сидной смолой. Для облегчения
процесса изготовления обмотки
предпочтительно использовать
провод с готовой изоляцией. Од-
ним из возможных вариантов яв-
ляется провод 2G HTS с нанесен-
ной на него высококачественной
изоляцией, например, из полии-
мида.
В качестве примера на рис. 5
показана лента шириной 4 мм с
нанесенной на нее полиимидной
изоляцией. Этот провод может
быть использован для изготовле-
ния обмотки сухим способом с по-
следующей вакуумной пропиткой
эпоксидной смолой.
Рис. 5. Бобина провода 2G HTS
шириной 4 мм с наложенной
полиимидной изоляцией
толщиной 25 мкм
Рис. 6. Катушка для создания
мощных магнитных
полей, изготовленная в компа-
нии SuperPower из стандартно-
го провода 2G HTS
типа SCS 4050
При температуре 4,2 К ка-
тушка генерировала собствен-
ное поле 9,8 Т, а при воздействии
фонового поля 19 Т центральное
поле имело напряженность 26,6 Т.
Тема номера
ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ
«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2011, www.kabel-news.ru
39
Для обеспечения дополнитель-
ной прочности катушки использо-
валась внешняя обмотка из про-
волоки, изготовленной из нержа-
веющей стали. Магнит прошел
тестирование в Национальной
лаборатории сильных магнитных
полей в университете штата Фло-
рида в испытательном магните
Биттера (20 МВт, 20 Т).
При температуре 4,2 К в ка-
тушке создавалось собствен-
ное поле напряженностью 9,81 Т
при критическом значении тока
221 А. При аксиальном фоно-
вом поле 19 Т в катушке создава-
лось дополнительное поле напря-
женностью 7,8 Т, при этом напря-
женность центрального поля со-
ставляла 26,8 Т. Пиковое значе-
ние механического напряжения
в катушке составило примерно
215 МПа, что не выходило за до-
пустимый для провода 2G HTS
предел — примерно 700 МПа.
Демонстрация подземных
кабельных линий
Одним из наиболее перспек-
тивных направлений применения
проводов 2G HTS в будущем счи-
тается создание мощных подзем-
ных линий электропередачи для
электроэнергетики. Министер-
ство энергетики США совместно
с агентством по исследованиям
и разработкам в области энерге-
тики штата Нью-Йорк (NYSERDA)
опубликовало программу демон-
страции сверхпроводящего HTS-
кабеля в качестве линии электро-
передачи между двумя подстан-
циями в сети компании National
Grid в г. Олбани, штат Нью-Йорк,
США. Почти 10 км провода HTS
второго поколения для этой рабо-
ты поставил японский партнер —
Sumitomo Electric Industries. Этот
провод был использован для из-
готовления 30-метровой секции
кабеля (рис. 7), рассчитанного на
работу при напряжении 36,5 кВ и
токе 800 А.
Кабельная секция, в которой
используется провод HTS второ-
го поколения, была вмонтирова-
на в демонстрационную кабель-
ную линию со сверхпроводящим
проводом первого поколения.
В течение всего демонстрацион-
ного периода в линии не было
выявлено никаких дефектов.
Основной отличительной особен-
ностью силового HTS-кабеля яв-
ляется его способность переда-
вать мощность, в три — пять раз
превышающую этот показатель
по сравнению с обычным под-
земным медным силовым кабе-
лем того же поперечного сече-
ния. Это обстоятельство имеет
большое значение при проклад-
ке кабелей в городских условиях,
где пространство имеет высокую
стоимость.
Другие области
применения
Сверхпроводники второго по-
коления могут применяться в тех
случаях, когда имеется высокая
плотность мощности и ограни-
ченная площадь под оборудова-
нием. К некоторым из таких об-
ластей применения относятся
высоковольтные силовые транс-
форматоры, моторы, генерато-
ры, устройства хранения электро-
энергии и ограничители аварий-
ных токов. Способность сверх-
проводников второго поколения
работать в магнитных полях с вы-
сокой напряженностью открыва-
ет возможность создания сверх-
проводящих магнитов для при-
менения в фундаментальной нау-
ке и медицине, например, магни-
торезонансная томография или
протонная терапия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В компании SuperPower раз-
работаны и будут производить-
ся проводники второго поколе-
ния, обладающие сверхпроводи-
мостью при высоких температу-
рах и имеющие длины, необходи-
мые для практического примене-
ния. Характеристики провода 2G
HTS были существенно улучше-
ны, особенно при высоких рабо-
чих температурах, за счет подбо-
ра композиции (RE) BCO и опти-
мизации условий ее получения.
По своим механическим свой-
ствам провод SuperWire хорошо
подходит для изготовления ка-
тушек, испытывающих большие
напряжения. Возможности раз-
нообразных областей примене-
ния провода 2G HTS расширяют-
ся благодаря тому, что этот про-
водник обеспечивает требуемые
рабочие характеристики (плот-
ность тока, масса, габариты) при
повышенных температурах.
Перевод Святослава ЮРЬЕВА
Оригинал статьи опубли-
кован в журнале Wire & Cable
International, January 2010, p. 32—
34.
Рис. 7. Секция трехфазного кабеля, изготовленного компанией
Sumitomo Electric Industries с использованием провода
2G HTS компании SuperPower
Тема номера
ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ
Двойной гофрированный
криостат, изготовленный
из нержавеющей стали
Электрическая изоляция
(PPLP + жидкий азот)
Сердечник, скру-
ченный из медных
проводов
Медный экран
Сверхпровод-
ник (3 слоя)
Сверхпроводящий
экран (2 слоя)
Оригинал статьи: Особенности применения сверхпроводящих кабелей
Применение сверхпроводящих магнитов и кабелей позволило создать инновационные технологии, открыло новые возможности для достижений в области физики твердого тела, биологии, химии, материаловедения, транспорта, магнитного резонанса, ускорения частиц, коллайдеров, оборудования для сварки, получения и использования энергии.