Разработка сверхпроводящего провода для центрального соленоида токамака с реакторными технологиями (ТРТ)

  • Виктор Евгеньевич Сытников
  • Сергей Андреевич Лелехов
  • Василий Васильевич Зубко
Ключевые слова: центральный соленоид, конструкция провода, рабочий ток, ВТСП-2-ленты

Аннотация

В статье представлены результаты предварительной разработки сверхпроводящего провода на основе конструкции типа VS и параллельных пакетов лент для центрального соленоида компактного термоядерного реактора TРT. Одной из основных проблем, которые необходимо решить для успешной реализации таких проектов, является создание сильноточных высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) проводников для тороидальных катушек возбуждения и секций центрального соленоида. Компактность магнитной системы требует создания проводника с высокой инженерной плотностью тока до 90 А/мм2. При этом рабочий ток в обмотках должен быть на уровне 60 кА при 15 К в магнитном поле 15 Тл. В центральном соленоиде провод подвергается значительным механическим нагрузкам, вызванным силами Лоренца. Значительная запасенная энергия в магните требует наличия в проводнике элементов, обеспечивающих аварийный вывод энергии при приемлемом напряжении и нагреве обмотки, которые не приводят к повреждению ее элементов. В конструкции проводника должно быть достаточно места для размещения стабилизирующих и упрочняющих материалов, а также для каналов охлаждения. Рассмотрены два конструктивных варианта проводника типа VS на основе радиально расположенных ВТСП-лент второго поколения и на основе параллельных пакетов. Проведен анализ расчетных характеристик предлагаемых проводников при различных режимах работы электромагнитной системы токамака ТРТ. Представлены результаты расчетов методом конечных элементов распределения магнитного поля в проводнике, его токоведущей способности и оценки потерь энергии в изменяющемся магнитном поле.

Биографии авторов

Виктор Евгеньевич Сытников

доктор техн. наук, заместитель научного руководителя АО «НТЦ ФСК ЕЭС», Москва, Россия.

Сергей Андреевич Лелехов

кандидат физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник ЧУ «ИТЭР – Центр», Москва, Россия.

Василий Васильевич Зубко

доктор техн. наук, главный научный сотрудник ОАО «ВНИИКП»; главный специалист АО «НТЦ ФСК ЕЭС», Москва, Россия.

Литература

1. Menard J.E. Compact Steady-State Tokamak Performance Dependence on Magnet and Core Physics Limits. – Philosophical Transactions of the Royal Society, 2019, A 377: 20170440, DOI:10.1098/rsta.2017.0440.

2. Creely A.J. et al. Overview of the SPARC Tokamak. – Journal of Plasma Physics, 2020, vol. 86, 865860502, DOI:10.1017/S0022377820001257.

3. Красильников А.В. и др. Токамак с реакторными технологиями (TRT): концепция, миссии, основные особенности и ожидаемые характеристики. – Физика плазмы, 2021, т. 47, № 11, с. 970–985.

4. Бондарчук Э.Н. и др. Инженерно-технические аспекты электромагнитной системы установки TRT. – Физика плазмы, 2021, т. 47, № 12, с. 1070–1086.

5. Molodyk A. et al. Development and Large Volume Production of Extremely High Current Density YBa2Cu3O7 Superconducting Wires for Fusion. – Scientific Reports, 2021, vol. 11(1), DOI:10.1038/s41598-021-81559-z.

6. ВТСП-провод второго поколения [Электрон. ресурс], URL: www.s-innovations.ru (дата обращения 10.10.2022).

7. Sytnikov V.E. et al. Advanced Variants of HTSC Wires for ТRТ Electromagnetic System. – Plasma Physics Reports, 2021, vol. 47(12), pp. 1204–1219, DOI:10.1134/S1063780X21110246.

8. Kim M. et al. Filamentization of YBCO Coated Conductors by Microcontact Printing. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, vol. 23, No. 3, 6601304, DOI:10.1109/TASC.2012.2236811.

9. Bruzzone P. et al. High Temperature Superconductors for Fusion Magnets. – Nuclear Fusion, 2018, vol. 58, No. 10, DOI:10.1088/1741-4326/aad835.

10. Ten Kate H. Super-Conductors for Successful Magnets. – IEEE/CSC & ESAS Superconductivity News Forum, 2019, Plenary Presentation at MT26, Vancouver, Canada.

11. Terazaki Y. et al. Measurement and Analysis of Critical Current of 100-kA Class Simply-Stacked HTS Conductors. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2015, vol. 25, No. 3, 4602905.

12. Celentano G. et al. Design of an Industrially Feasible Twisted-Stack HTS Cable-in-Conduit Conductor for Fusion Application. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, vol. 24(3), DOI:10.1109/TASC.2013.2287910.

13. Wolf M.J. et al. HTS CroCo a Stacked HTS Conductor Optimized for High Currents and Long Length Production. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, vol. 26, No. 2, DOI:10.1109/TASC.2016.2521323.

14. Takayasu M. et al. HTS Twisted Stacked-Tape Cable Conductor. – Superconductor Science and Technology, 2012, vol. 25(1), DOI:10.1088/0953-2048/25/1/014011.

15. Uglietti D. Test of 60 kA Coated Conductor Cable Prototypes for Fusion Magnets. – Superconductor Science and Technology, 2015, vol. 28(12), DOI:10.1088/0953-2048/28/12/124005.

16. Hartwig Z. et al. VIPER: an Industrially Scalable High-Current High-Temperature Superconductor Cable. – Superconductor Science and Technology, 2020, 33(11), 11LT01, DOI:10.1088/1361-6668/abb8c0.

17. Van der Laan D.C., Weiss J.D., McRae D.M. Status of CORC Cables and Wires for Use in High-field Magnets and Power Systems a Decade after Their Introduction. – Superconductor Science and Technology, 2019, vol. 32(3), 033001, DOI:10.1088/1361-6668/aafc82.

18. Weiss J. et al. Introduction of CORC® Wires: Highly flexible, Round High-Temperature Superconducting Wires for Magnet and Power Transmission Applications. – Superconductor Science and Technology, 2017, vol. 30(1), DOI:10.1088/0953-2048/30/1/014002.

19. Mulder T. et al. Recent Progress in the Development of CORC Cable-In-Conduit Conductors. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2020, vol. 30, No. 4, DOI:10.1109/TASC.2020.2968251.

20. Sytnikov V.E. et al. Influence of the Multilayer HTC-Cable Conductor Design on the Current Distribution. – Physica C: Superconductivity and Its Applications, 1998, 310, pp. 387–391, DOI: 10.1016/S0921-4534(98)00497-3.

21. Fetisov S.S. et al. Compact 2G HTS Power Cable: New Cold Tests Results. – Journal of Physics: Conference Series, 2020, vol. 1559, No.1, p. 012081, DOI:10.1088/1742-6596/1559/1/012081.

22. Goldacker W. et al. High Current DyBCO-ROEBEL Assembled Coated Conductor (RACC). – Journal of Physics: Conference Series, 2006, 43(1), DOI:10.1088/1742-6596/43/1/220.

23. Long N.J. et al. Development of YBCO Roebel Cables for High Current Transport and Low AC Loss Applications. – Journal of Physics: Conference Series, 2010, vol. 234(2), DOI:10.1088/1742-6596/234/2/022021.

24. Сытников В.Е., Лелехов С.А. Новая конструкция сверхпроводящего провода типа cable-in-conduit для крупных магнитов. – Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез, 2020, т. 43, вып. 3, с. 31–40.

25. Sytnikov V.E., Lelekhov S.A. New HTS Conductor Design for Large Scale Applications. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2021, vol.31, No 5, DOI:10.1109/TASC.2021.3063070.

26. TCS Machinery & Service SRL [Электрон. ресурс], URL: www.tcsmachinery.com (дата обращения 10.10.2022).

27. Mawatari Y. Alternating Current Loss in Radially Arranged Superconducting Strips. – Applied Physics Letters, 2006, vol. 88, 092503, DOI: 10.1063/1.2180875.

28. Zubko V., Zanegin S., Fetisov S. Models for optimization and AC Losses Analysis in a 2G HTS Cable. – Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 2043, No 1, DOI:10.1088/1742-6596/2043/1/012004.

29. Zanegin S.Yu. et al. Experimental and Numerical Study of AC Losses in HTS Coils of AC Electric Machines. – Russian Electrical Engineering, 2022, vol. 93, No 6, p. 424–429, DOI:10.3103/S1068371222060104.

30. Brandt E. Superconductors of Finite Thickness in a Perpendicular Magnetic Field: Strips and Slabs. – Physical Review B, 1996, vol. 54, pp. 4246-4264, DOI: 10.1103/PhysRevB.54.4246.

31. Norris W. Calculation of Hysteresis Losses in Hard Superconductors Carrying AC: Isolated Conductors and Edges of Thin Sheets. – Journal of Physics D: Applied Physics, 2002, vol. 3(4), DOI:10.1088/0022-3727/3/4/308.

32. Lelekhov S.A., Sytnikov V.E. Conductor Design for Toroidal Field Coils of a High Magnetic Field Tokamak TRT. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2022, vol. 32, No. 6, 4201805.

33. Lelekhov S. The Usage Experience of High Current Conductor with Parallel SC Wires for Magnets. –ASC14, ID 1951493, 3LPo2J-01, Charlotte, 2014, p. 181.

34. Lelekhov S.A. Analysis of a Possibility to Use Parallel Non-Twis-ted Stacks of HTS Tapes as Cable in High Current Conductor of Tokamak Toroidal Field Coils. – IEEE Transactions on Applied Supercon-ductivity, 2021, vol.31, No 5, DOI:10.1109/TASC.2021.3069322.

35. Uglietti D. et al. Non-Twisted Stacks of Coated Conductors for Magnets: Analysis of Inductance and AC Losses. – Cryogenics, 2020, vol. 110, DOI:10.1016/j.cryogenics.2020.103118.

#

1. Menard J.E. Compact Steady-State Tokamak Performance Dependence on Magnet and Core Physics Limits. – Philosophical Transactions of the Royal Society, 2019, A 377: 20170440, DOI:10.1098/rsta.2017.0440.

2. Creely A.J. et al. Overview of the SPARC Tokamak. – Journal of Plasma Physics, 2020, vol. 86, 865860502, DOI:10.1017/S0022377820001257.

3. Krasil'nikov A.V. et al. Fizika plazmy – in Russ. (Plasma Physics), 2021, vol. 47, No. 11, pp. 970–985.

4. Bondarchuk E.N. et al. Fizika plazmy – in Russ. (Plasma Physics), 2021, vol. 47, No. 12, pp. 1070–1086.

5. Molodyk A. et al. Development and Large Volume Production of Extremely High Current Density YBa2Cu3O7 Superconducting Wires for Fusion. – Scientific Reports, 2021, vol. 11(1), DOI:10.1038/s41598-021-81559-z.

6. VTSP-provod vtorogo pokoleniya (HTSP-Second Generation Wire) [Electron. resource], URL: www.s-innovations.ru (Date of appeal 10.10.2022).

7. Sytnikov V.E. et al. Advanced Variants of HTSC Wires for ТRТ Electromagnetic System. – Plasma Physics Reports, 2021, vol. 47(12), pp. 1204–1219, DOI:10.1134/S1063780X21110246.

8. Kim M. et al. Filamentization of YBCO Coated Conductors by Microcontact Printing. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, vol. 23, No. 3, 6601304, DOI:10.1109/TASC.2012.2236811.

9. Bruzzone P. et al. High Temperature Superconductors for Fusion Magnets. – Nuclear Fusion, 2018, vol. 58, No. 10, DOI:10.1088/1741-4326/aad835.

10. Ten Kate H. Super-Conductors for Successful Magnets. – IEEE/CSC & ESAS Superconductivity News Forum, 2019, Plenary Presentation at MT26, Vancouver, Canada.

11. Terazaki Y. et al. Measurement and Analysis of Critical Current of 100-kA Class Simply-Stacked HTS Conductors. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2015, vol. 25, No. 3, 4602905.

12. Celentano G. et al. Design of an Industrially Feasible Twisted-Stack HTS Cable-in-Conduit Conductor for Fusion Application. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, vol. 24(3), DOI:10.1109/TASC.2013.2287910.

13. Wolf M.J. et al. HTS CroCo a Stacked HTS Conductor Optimized for High Currents and Long Length Production. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, vol. 26, No. 2, DOI:10.1109/TASC.2016.2521323.

14. Takayasu M. et al. HTS Twisted Stacked-Tape Cable Conductor. – Superconductor Science and Technology, 2012, vol. 25(1), DOI:10.1088/0953-2048/25/1/014011.

15. Uglietti D. Test of 60 kA Coated Conductor Cable Prototypes for Fusion Magnets. – Superconductor Science and Technology, 2015, vol. 28(12), DOI:10.1088/0953-2048/28/12/124005.

16. Hartwig Z. et al. VIPER: an Industrially Scalable High-Current High-Temperature Superconductor Cable. – Superconductor Science and Technology, 2020, 33(11), 11LT01, DOI:10.1088/1361-6668/abb8c0.

17. Van der Laan D.C., Weiss J.D., McRae D.M. Status of CORC Cables and Wires for Use in High-field Magnets and Power Systems a Decade after Their Introduction. – Superconductor Science and Technology, 2019, vol. 32(3), 033001, DOI:10.1088/1361-6668/aafc82.

18. Weiss J. et al. Introduction of CORC® Wires: Highly flexible, Round High-Temperature Superconducting Wires for Magnet and Power Transmission Applications. – Superconductor Science and Technology, 2017, vol. 30(1), DOI:10.1088/0953-2048/30/1/014002.

19. Mulder T. et al. Recent Progress in the Development of CORC Cable-In-Conduit Conductors. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2020, vol. 30, No. 4, DOI:10.1109/TASC.2020.2968251.

20. Sytnikov V.E. et al. Influence of the Multilayer HTC-Cable Conductor Design on the Current Distribution. – Physica C: Superconductivity and Its Applications, 1998, 310, pp. 387–391, DOI: 10.1016/S0921-4534(98)00497-3.

21. Fetisov S.S. et al. Compact 2G HTS Power Cable: New Cold Tests Results. – Journal of Physics: Conference Series, 2020, vol. 1559, No.1, p. 012081, DOI:10.1088/1742-6596/1559/1/012081.

22. Goldacker W. et al. High Current DyBCO-ROEBEL Assembled Coated Conductor (RACC). – Journal of Physics: Conference Series, 2006, 43(1), DOI:10.1088/1742-6596/43/1/220.

23. Long N.J. et al. Development of YBCO Roebel Cables for High Current Transport and Low AC Loss Applications. – Journal of Physics: Conference Series, 2010, vol. 234(2), DOI:10.1088/1742-6596/234/2/022021.

24. Sytnikov V.E., Lelekhov S.А. Voprosy atomnoy nauki i tekhniki. Seriya: Termoyadernyy sintez – in Russ. (Issues of Atomic Science and Technology. Series: Thermonuclear Fusion), 2020, vol. 43, iss. 3, pp. 31–40.

25. Sytnikov V.E., Lelekhov S.A. New HTS Conductor Design for Large Scale Applications. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2021, vol.31, No 5, DOI:10.1109/TASC.2021.3063070.

26. TCS Machinery & Service SRL [Electron. resource], URL: www.tcsmachinery.com (Date of appeal 10.10.2022).

27. Mawatari Y. Alternating Current Loss in Radially Arranged Superconducting Strips. – Applied Physics Letters, 2006, vol. 88, 092503, DOI: 10.1063/1.2180875.

28. Zubko V., Zanegin S., Fetisov S. Models for optimization and AC Losses Analysis in a 2G HTS Cable. – Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 2043, No 1, DOI:10.1088/1742-6596/2043/1/ 012004.

29. Zanegin S.Yu. et al. Experimental and Numerical Study of AC Losses in HTS Coils of AC Electric Machines. – Russian Electrical Engineering, 2022, vol. 93, No 6, p. 424–429, DOI:10.3103/S1068371222060104.

30. Brandt E. Superconductors of Finite Thickness in a Perpendicular Magnetic Field: Strips and Slabs. – Physical Review B, 1996, vol. 54, pp. 4246-4264, DOI: 10.1103/PhysRevB.54.4246.

31. Norris W. Calculation of Hysteresis Losses in Hard Superconductors Carrying AC: Isolated Conductors and Edges of Thin Sheets. – Journal of Physics D: Applied Physics, 2002, vol. 3(4), DOI:10.1088/0022-3727/3/4/308.

32. Lelekhov S.A., Sytnikov V.E. Conductor Design for Toroidal Field Coils of a High Magnetic Field Tokamak TRT. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2022, vol. 32, No. 6, 4201805.

33. Lelekhov S. The Usage Experience of High Current Conductor with Parallel SC Wires for Magnets. –ASC14, ID 1951493, 3LPo2J-01, Charlotte, 2014, p. 181.

34. Lelekhov S.A. Analysis of a Possibility to Use Parallel Non-Twisted Stacks of HTS Tapes as Cable in High Current Conductor of Tokamak Toroidal Field Coils. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2021, vol.31, No 5, DOI:10.1109/TASC.2021.3069322.

35. Uglietti D. et al. Non-Twisted Stacks of Coated Conductors for Magnets: Analysis of Inductance and AC Losses. – Cryogenics, 2020, vol. 110, DOI:10.1016/j.cryogenics.2020.103118

Опубликован
2022-11-17
Раздел
Статьи