Разработка элементов ВТСП 2-го поколения и исследование сильноточных ВТСП устройств и их применения в электроэнергетике и транспорте

Отчёт 109 с., 1 кн., 45 рис., 12 табл., 57 источн. КРИОТОКОВВОДЫ, УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА, ВТСП ЛЕНТЫ 2-ГО ПОКОЛЕНИЯ, ИОННОЕ ОБЛУЧЕНИЕ, ФЛЮЭНС, ИСКУСТВЕННЫЕ ЦЕНТРЫ ПИННИНГА, КРИТИЧЕСКИЙ ТОК, СЕКЦИОНИРОВАНИЕ, СПИН, РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ, ВТСП КАБЕЛЬ Предложен метод аналитического решения уравнения теплового баланса в криотоковводах постоянного и переменного сечений, охлаждаемых парами жидкого азота, с целью определения теплового потока в низкотемпературную зону и сопоставления их оптимальных геометрических характеристик при изменении силы тока. В рассматриваемой математической модели изменение площади поперечного сечения вдоль оси токоввода представлено гладкой линейной функцией, позволяющей провести интегрирование дифференциального уравнения теплового баланса. Полученные аналитические формулы позволяют выявить оптимальный тепловой режим токовводов, характеризующихся определённым материалом, охлаждением и формой при разной силе тока и определить рациональную форму токовводов для конкретных устройств. Выполнены систематические исследования влияния облучения тяжелыми ионами на электрофизические свойства высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) лент 2-го поколения в сильных магнитных полях. Проведены эксперименты по облучению ионами Au с энергией 18 МэВ, ионами Ni с энергией 12 МэВ и ионами O с энергией 15 МэВ, ускоренными на тандемном ионном ускорителе. Сверхпроводящие свойства этих лент были измерены в различных магнитных полях и температурах. Показано, что облучение ионами кислорода оказало минимальное влияние на характеристики Ic(B). Напротив, облучение ионами никеля в дозах 1,2x1011 ионов/см² значительно улучшило Ic(B), особенно при низких температурах (20-30 К), без деградации материала при более высоких дозах. Аналогично, облучение ионами золота повысило Ic(B) в широком диапазоне температур и полей. Моделирование в TRIM показало, что проникновение ионов и потери энергии зависят от типа ионов, что влияет на дефектообразование и сверхпроводящие свойства ВТСП лент. Продемонстрирован потенциал технологии ионного облучения для улучшения свойств ВТСП лент 2-го поколения, что даёт возможность использовать их в сильных магнитных полях и изготавливать магнитные системы, охлаждаемые жидким азотом. На примере обмоток индуктивных накопителей (СПИН) из низкотемпературных сверхпроводящих проводов (НТСП) показано, как при помощи различных методов секционирования можно добиться существенного уменьшения количества сверхпроводящего материала. Эта лишь кажущаяся тривиальной задача, на самом деле, имеет очень важное значение для будущих ВТСП магнитов из-за несравненно более высокой стоимости ВТСП материалов по сравнению с НТСП. Показано, что секционирование отнюдь не сводится к решению этой, пусть и важной задачи, но ещё и позволяет уменьшить действие пондеромоторных сил в сверхпроводящих магнитных системах (СМС) путем выравнивания произведения Bj во всем объёме обмоток. При том, что идеальное равенства по всему объёму заведомо никогда не достигается, тем не менее, именно секционирование позволяет уменьшить нагрузку на проводники обмотки. Найдены условия, при которых разделение одной обмотки на несколько удаленных друг от друга секций позволяет сохранить накопленную энергию практически той же самой, что и у одиночной крупногабаритной обмотки из большего количества СП материала и, заодно, уменьшить поля рассеяния. Невыполнение этих условий существенно снижает эффективность секционирования. Полученные результаты могут быть использованы как для построения в будущем СПИН на основе ВТСП лент 2-го поколения (что в нынешней технико-экономической ситуации пока невозможно), так и для создания секционированных лабораторных магнитов постоянного тока, на основе тех же самых принципов и методов, хотя это и очень непросто. В сочетании с применением описанных в предыдущих отчетах ферромагнитных материалов можно еще более уменьшить расход ВТСП материала, а значит, задача создания исследовательских азотных СМС с полем ≈ 1-1,4 Тл становится решаемой. Выполнены рентгеноструктурные исследования описанных в предыдущем отчете 4 мм ВТСП лент 2-го поколения, подвергнувшихся 10-летней выдержке на кабельной катушке без каких-либо специальных мер по защите от атмосферного воздуха. Критические токи, измеренные 4-х контактным методом на установке Лаб. 2.2, оказались на 7 – 10 % выше значений, полученных на установке для измерения бесконтактным методом ЗАО «СуперОкс» сразу после изготовления. Рентгеноструктурный анализ показал, что, при напылении сверхпроводящего слоя при изготовлении лент быстрый отвод тепла от подложки приводит к неравновесному при комнатных температурах состоянию сверхпроводящего слоя. С течением времени, несмотря на низкую скорость диффузии при комнатных температурах, происходит переход структуры сверхпроводящего слоя в более равновесное состояние, в результате чего происходит выделение мелких кристаллов смешанного оксида Gd2CuO4 и увеличение количества центров пиннинга, что и приводит к повышению критического тока. Стандартными методами электротехнической промышленности, то есть оптической микроскопии и испытаниями на разрывной машине исследован ВТСП кабель на основе ленточных проводников 2-го поколения, предоставленный ОАО ВНИИКП. Показано соответствие внутренней конфигурации кабеля техническим условиям производителя и отсутствие каких-либо её нарушений, чем обеспечивается высокое значение рабочего тока за счет взаимной компенсации магнитного поля встречно-параллельных слоев, надежная стабилизация за счет правильного расположения транспонированных медных проводников относительно ВТСП лент и высокая механическая прочность, обеспечивающая широкие возможности для потенциального использования в линиях межсистемной связи в электроэнергетике.