НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ Лаборатория "Сверхпроводящие энергетические системы" Код (шифр) научной темы «FSWU-2022-0013» по теме: РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ (промежуточный, этап 2)

Отчет 273 с., 1 ч., 168 рис., 11 табл., 133 источника, 3 прил. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СВЕРХПРОВОДНИК, СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КОМПОЗИТЫ, КРИТИЧЕСКИЙ ТОК, НАМАГНИЧЕННОСТЬ, ПИННИНГ, ИНДУКТИВНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ, КИНЕТИЧЕСКИЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ, СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР, МАГНИТНАЯ МУФТА В ходе реализации второго этапа проекта были проведены работы по разработке, созданию и комплексному теоретическому и экспериментальному исследованию элементов сверхпроводниковых устройств: генератор энергии, кинетический и индуктивный накопители энергии. Первая группа работ включала в себя анализ существующих и наиболее применимых теоретических подходов для комплексного мультифизического моделирования элементов сверхпроводниковых энергетических устройств. Были проработаны возможные варианты реализации моделей с использованием пакета Comsol Multiphysics. Электромагнитные расчеты включают в себя решение уравнений Максвелла совместно с уравнением теплопроводности. В случае подвижных элементов и градиентных полей сложных конфигураций необходимо выполнять прямое моделирование движения сверхпроводника в устройстве. В рамках моделей рассматривается влияние режимов охлаждения и выполняется оценка влияния неоднородности токонесущих характеристик реальных ВТСП лент. Сложность реализации моделей заключается в необходимости использования различных вариантов формулировок (H, A, A-J, A-V, A-T и A-T-H) нестационарных уравнений Максвелла, а также их комбинаций для выполнения комплексного расчета широкого спектра ВТСП устройств. В пакете Comsol Multiphysics разработана модель элементов сверхпроводникового генератора. Данная задача потребовала наиболее комплексного подхода к расчёту. Получены распределения токов и конфигурации магнитных полей элементов генератора. Проанализированы тепловые процессы в элементах разных типов при протекании постоянного и переменного транспортного тока при различных температурах и режимах охлаждения, рассчитаны тепловые потери. Показано, что для реализации генератора предпочтительно использовать обмотки в виде рейстрека. Также рассмотрены замкнутые ВТСП элементы, которые показали потенциал для использования в том числе в генераторах. Разработана модель элементов сверхпроводникового кинетического накопителя энергии. Рассмотрены два типа элементов: сверхпроводящие магнитные муфты (радиальная и аксиальная) и сверхпроводящий бесконтактный подшипник. В рамках модели выполнены расчеты магнитных полей, сил левитационного взаимодействия в элементах накопителя при разных температурах. Установлено, что ВТСП муфты превосходят ПМ муфты по демпфирующей способности. Наилучший вариант реализации муфт заключается в сочетании элементов на постоянных магнитах для достижения требуемых значений сил и моментов и сверхпроводящих для улучшения стабилизации. В качестве элементов сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии (СПИН) была рассмотрены два типа кабелей: CORC-кабель и твистированная стопка ВТСП лент. Выполнены расчеты токонесущих характеристик кабелей. Рассмотрены два варианта охлаждения кабелей: с использованием жидкого азота и жидкого неона. Определены подкритические режимы работы, источники возможных нестабильностей системы, дан прогноз по работе элементов в конструкции СПИН. Наряду с прикладным моделированием выполнены вычислительные работы, направленные на решение задачи улучшения магнитных и токонесущих характеристик ВТСП лент (в том числе в магнитных полях) за счет создания искусственных центров пиннинга различных конфигураций. Методом Монте-Карло выполнено моделирование пиннинга вихрей на системе дефектов в виде отверстий субмикронного размера, а также на наклонных радиационных дефектах. Рассчитаны ВАХ сверхпроводников, получены зависимости критического тока от температуры и магнитного поля. Выявлены особенности формирования вихревых состояний, исследовано влияние рассмотренных центров пиннинга на форму вольтамперной характеристики сверхпроводника во внешнем магнитном поле. Вторая группа работ включала в себя экспериментальные работы по исследованию магнитных и транспортных характеристик сверхпроводящих сборок и элементов генератора, кинетического и индукционного накопителей энергии. К участию в данной части работы были привлечены индустриальные партнеры, которые совместно с коллективом лаборатории выполняли работы по проектированию и изготовлению необходимых элементов энергетических устройств, а также выполнили разработку программного обеспечения для исследования токонесущих характеристик ВТСП лент и элементов генератора и индуктивного накопителя энергии. В части исследования элементов кинетического накопителя энергии выполнены измерения левитационных характеристик муфт двух типов ( радиальная и аксиальная) на основе постоянных магнитов и композитных ВТСП лент. Получены зависимости силы взаимодействия и момента сил между частями муфт от угла поворота. Исследовано влияние расстояния между элементами муфт на максимальный передающий момент. Изучены нагрузочные характеристики ВТСП подшипников на основе незамкнутой и замкнутой обмоток. Исследования проведены в интервале температур 77 К - 40 К. Полученные результаты были использованы для верификации расчетных моделей, а также анализа работы ВТСП муфт и подшипников как элементов кинетического накопителя энергии. На основе анализа результатов моделирования и литературных данных, в качестве элементов индуктивного накопителя энергии были выбраны CORC кабели. Были исследованы образцы кабелей с различным числом лент в повиве. Выполнены измерения энергетических потерь на переменном токе в интервале частот от 50 Гц до 1 кГц. Важной частью работы является исследование по определению критического радиуса изгиба кабелей. Данная часть работы выполнялась совместно с индустриальным партнером. Потери на переменном токе также являются важной характеристикой для элементов генератора. Были исследованы два типа обмоток (круглая обмотка и обмотка в форме рейстрека). Получены зависимости величины потерь от амплитуды и частоты тока. Результаты исследований были использованы для верификации модельных подходов. Кроме того, полученные данные позволят выполнить разработку устройств на следующем этапе проекта. Важной частью всех рассматриваемых энергетических устройств также является коммутационная система. В рамках второго этапа проекта проведены исследования переключений в композитных ВТСП лентах при воздействии импульсов тока мкс и мс длительностей. Получены зависимости тока и напряжения при переходе сверхпроводника из сверхпроводящего в нормальное состояние. Исследовано поведение в режиме переключения под действием импульса тока на фоне протекания постоянного транспортного тока. Такой режим приближен к условиям работы сверхпроводящих устройств. Разработана модель переключателя на основе ВТСП лент и показана возможность реализации устойчивого переключения под действием импульсов тока. Полученные данные будут использованы для проектирования и реализации системы коммутации и защиты ВТСП устройств. Анализ всего комплекса полученных результатов позволил предложить конструкции сверхпроводящих магнитных муфт, перспективного элемента генератора и кинетического накопителя энергии. Были поданы две заявки на изобретение. Также за время выполнения данного этапа было получено одобрение изобретения, поданного на первом этапе (Бесконтактный сверхпроводящий магнитный подшипник Патент № 2803330, дата регистрации: 12.09.2023 ). Опубликовано или принято к публикации 7 научных статей, на стадии рецензирования 2 статьи (Q2). Поданы 2 заявки на изобретение, регистрационные номера карт РИД: 624011702224-9, 624011802370-2. Зарегистрирована 1 программа для ЭВМ, регистрационные номер карты РИД 624011802422-8.