BR112021007011A2 - ímã supercondutor de alta temperatura - Google Patents

Abstract

ÍMÃ SUPERCONDUTOR DE ALTA TEMPERATURA. A presente invenção refere-se a um ímã Supercondutor de Alta Temperatura, HTS, compreendendo um espiral formado a partir de enrolamentos concêntricos aninhados. Cada enrolamento compreende material HTS. O ímã HTS compreende adicionalmente um elemento condutor compreendendo uma superfície de contato elétrico através da qual se supre a corrente elétrica para uma parte de pelo menos um dos enrolamentos. A superfície fornece o contato elétrico entre o elemento condutor e uma borda axial do espiral substancialmente em torno do percurso do pelo menos um dos enrolamentos.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ÍMÃ SU- PERCONDUTOR DE ALTA TEMPERATURA". Campo Técnico

[0001] A presente invenção refere-se a ímãs supercondutores de alta temperatura (HTS). Em particular, se refere ao suprimento de cor- rente elétrica para os ímãs HTS. Antecedentes

[0002] Materiais supercondutores são tipicamente divididos em "su- percondutores de alta temperatura" (HTS) e "supercondutores de baixa temperatura" (LTS). Materiais LTS, tal como Nb e NbTi, são metais ou ligas metálicas cuja supercondutividade pode ser descrita pela teoria BCS. Todos os supercondutores de baixa temperatura apresentam uma temperatura crítica (a temperatura acima da qual o material não pode ser supercondutor mesmo com campo magnético zero) abaixo de cerca de 30K. O comportamento do material HTS não é descrito pela teoria BCS, e tais materiais podem apresentar temperaturas críticas acima de cerca de 30 K (apesar de dever ser notado que são as diferenças físicas na operação supercondutora e composição, ao invés da temperatura crítica, que definem o material HTS). Os HTS mais comumente utiliza- dos são os "supercondutores de cuprato" – cerâmicas com base em cu- pratos (compostos contendo um grupo do óxido de cobre), tal como BSCCO, ou ReBCO (onde Re é um elemento de terra rara, comumente Y ou Gd). Outros materiais HTS incluem pnictídeos de ferro (por exem- plo, FeAs e FeSe) e diborato de magnésio (MgB2).

[0003] ReBCO é tipicamente fabricado como fitas, com uma estru- tura como a ilustrada na figura 1. Tal fita 100 tem geralmente aproxima- damente 100 mícrones de espessura e inclui um substrato 101 (tipica- mente "Hastelloy" eletropolido com aproximadamente 50 mícrones de espessura), no qual é depositado por IBAD, pulverização de magnetron, ou outra técnica adequada, uma série de camadas de amortecimento conhecidas como pilha de amortecimento 102, de aproximadamente 0,2 mícrones de espessura. Uma camada de ReBCO-HTS epitaxial 103 (depositada por MOCVD ou outra técnica adequada) sobrepõe 15 pilhas de amortecimento, e apresenta tipicamente 1 mícron de espessura. Uma camada de prata de 1 a 2 mícrones 104 é depositada na camada HTS por pulverização ou outra técnica adequada, e uma camada esta- bilizadora de cobre 105 (ou "revestimento") é depositada na fita por ele- trodeposição ou outra técnica adequada, que frequentemente encap- sula por completo a fita. A corrente elétrica é tipicamente acoplada à fita 100 através de revestimento.

[0004] O substrato 101 fornece uma estrutura mecânica que pode ser alimentada através da linha de fabricação e permite o crescimento de camadas subsequentes. A pilha de amortecimento 102 é exigida para se fornecer um gabarito cristalino texturizado de forma biaxial so- bre o qual cresce a camada HTS, e impede a difusão química dos ele- mentos a partir do substrato para o HTS, o que danificaria suas propri- edades supercondutoras. A camada de prata 104 é necessária para se fornecer uma interface de baixa resistência a partir de ReBCO para a camada estabilizadora, e a camada estabilizadora 105 fornece um per- curso de corrente alternativo no caso de qualquer parte de ReBCO parar de agir como um supercondutor (entrar no estado "normal").

[0005] Ímãs HTS podem ser formados pelo enrolamento da fita HTS, tal como a fita ReBCO 100 descrita acima, em um espiral. Pontos comuns de falha em tais ímãs HTS são os locais nos quais as fitas indi- viduais ou o cabo se separam do pacote de enrolamento nas regiões de conexão (isso é, conexão elétrica).

[0006] A figura 2 ilustra de forma esquemática uma conexão elétrica "convencional" em um espiral 201, compreendendo a fita HTS 100. O enrolamento externo do espiral 201 foi parcialmente puxado para longe do pacote de enrolamento a fim de criar um "fio flutuante" 202. Um aces- sório de conexão elétrica 203 é aplicado ao fio flutuante 202 a fim de suprir corrente elétrica para o espiral 201.

[0007] Nas conexões com fios flutuantes, tal como as ilustrados na figura 2, as fitas HTS são vulneráveis ao movimento cíclico sob forças eletromagnéticas (EM) e contração térmica, fazendo com que degradem durante a operação normal. Frequentemente, essas seções "expostas" da fita HTS também correm um risco adicional no caso de uma degra- dação crítica de corrente, significando que essas seções não se benefi- ciam da proximidade com o pacote de enrolamento principal para dissi- pação de calor e/ou corrente.

[0008] Essas regiões de fio flutuante também estão vulneráveis a danos durante os processos de enrolamento e montagem de ímã, visto que as fitas individuais são frágeis e facilmente dobradas em decorrên- cia de manuseio errado. Ademais, no esquema de fio flutuante, é fre- quentemente o caso de partes caras usinadas com precisão precisarem guiar e suportar os fios flutuantes à medida que se movem do pacote de enrolamento para dentro de um acessório de conexão.

[0009] Outro problema que pode ocorrer nos ímãs supercondutores é a têmpera. A têmpera ocorre quando uma parte do fio supercondutor ou do espiral entra em estado resistivo. Isso pode ocorrer devido a flu- tuações na temperatura ou campo magnético, ou danos ou defeitos físi- cos no supercondutor (por exemplo, pela irradiação de nêutron se o ímã for utilizado em um reator de fusão). Devido às altas correntes presentes no ímã, quando mesmo que uma pequena parte do supercondutor se torna resistiva, a mesma aquece rapidamente. Como mencionado acima, os fios supercondutores são fornecidos com algum estabilizador de cobre para proteção contra têmpera. O cobre fornece um percurso alternativo para a corrente se o supercondutor se tornar normal. Quanto mais cobre presente, mais lento o aumento de temperatura no hot spot que é formado em torno de uma região do condutor temperado.

[0010] Existe, portanto, a necessidade de se criar um ímã HTS que evite ou mitigue algumas ou todas essas desvantagens. Sumário

[0011] É um objetivo da presente invenção se fornecer um ímã HTS que solucione, ou pelo menos alivie, os problemas descritos acima.

[0012] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é fornecido um ímã HTS. O ímã HTS compreende um espiral formado a partir de enrolamentos concêntricos aninhados, cada enrolamento compreen- dendo material HTS; e um elemento condutor que compreende uma su- perfície de contato elétrico através da qual se supre a corrente elétrica para uma parte de pelo menos um dos enrolamentos. A superfície for- nece o contato elétrico entre o elemento condutor e uma borda axial do espiral substancialmente em torno do percurso do pelo menos um dos enrolamentos.

[0013] Cada enrolamento pode compreender fita HTS e revesti- mento eletricamente conectado à fita HTS, o contato elétrico sendo for- necido para o revestimento.

[0014] A superfície de contato elétrico pode fornecer contato elétrico com a borda axial do espiral em torno de mais de 20%, mais de 50%, ou mais de 80% do percurso de pelo menos um dos enrolamentos. A superfície de contato elétrico pode ter o formato anular.

[0015] O ímã HTS pode compreender uma placa que se estende através de um ou mais dos outros enrolamentos, o elemento condutor formado integralmente com a placa ou fornecido na mesma. O elemento condutor pode se projetar a partir de uma face da placa e a placa com- preende, adicionalmente, uma camada resistiva dielétrica ou eletrica- mente resistiva para isolar eletricamente a face da placa da parte de um ou mais dos outros enrolamentos.

[0016] Como utilizado aqui, o termo camada "eletricamente resis- tiva" significa uma camada que possui uma resistência elétrica que é superior à resistência elétrica entre o elemento condutor e o espiral, e a resistência elétrica entre as voltas do espiral (isso é, a resistência elé- trica radial do espiral). A camada eletricamente resistiva pode, não obs- tante, ser termicamente condutora, permitindo, assim, que o calor seja transferido a partir (ou para) do espiral de forma mais eficiente. A ca- mada eletricamente resistiva pode, ou não, ser uma camada dielétrica. Uma camada não dielétrica, mas eletricamente resistiva, pode ser pre- ferida em casos nos quais uma dielétrica estaria suscetível a danos por radiação, por exemplo, quando os espirais são parte de um reator de fusão tokamak.

[0017] O ímã HTS pode compreender uma camada condutora inter- facial que se estende através de um ou mais outros enrolamentos para transferir calor e/ou corrente elétrica a partir da borda do ou de cada enrolamento. A camada condutora interfacial pode compreender latão e/ou aço inoxidável. Outros metais "soldáveis" também podem ser utili- zados, isso é, metais aos quais a solda pode aderir a fim de fornecer contato elétrico. A camada condutora interfacial pode ser padronizada pela variação de sua espessura, por exemplo, para produzir um padrão "tipo teia".

[0018] O espiral pode compreender isolamento elétrico entre os en- rolamentos.

[0019] O ímã HTS pode compreender um ou mais sensores e/ou um ou mais aquecedores dispostos entre a placa e o espiral.

[0020] A superfície de contato elétrico pode fornecer contato elétrico com o enrolamento mais interno, ou com o enrolamento mais externo do espiral. A superfície de contato elétrico pode fornecer contato elétrico através de uma descontinuidade nos enrolamentos. Por exemplo, se o espiral for formado a partir de dois comprimentos da fita HTS, a super- fície de contato elétrico pode agir como uma conexão elétrica para unir as fitas em série.

[0021] O ímã HTS pode compreender, adicionalmente, outro ele- mento condutor que compreende uma superfície de contato elétrico para receber a corrente elétrica a partir de uma parte de pelo menos um outro enrolamento. A superfície fornece contato elétrico com a, ou outra, borda axial do espiral substancialmente em torno do percurso do outro pelo menos um dos enrolamentos. As superfícies de contato elétrico po- dem fornecer contato elétrico com as faces opostas do espiral.

[0022] O ímã HTS pode compreender, adicionalmente, um ou mais espirais adicionais, o, ou cada, espiral adicional possuindo elementos condutores para fornecer faces opostas superiores de contato elétrico desse espiral, os espirais sendo empilhados de forma axial e eletrica- mente conectados um ao outro através de seus elementos condutores respectivos. Os espirais axialmente empilhados, adjacentes, podem ser enrolados em direções opostas.

[0023] O ímã HTS pode compreender dois ou mais espirais aninha- dos concentricamente, cada um possuindo elementos condutores res- pectivos, cada espiral sendo conectado eletricamente a um espiral ad- jacente por uma conexão elétrica entre os elementos condutores res- pectivos dos espirais. A conexão elétrica pode ser flexível para acomo- dar o movimento dos espirais um com relação ao outro. O ímã HTS pode compreender um ou mais suportes de intervenção localizados entre os espirais adjacentes para interceptar forças radiais.

[0024] As fitas HTS respectivas dos espirais adjacentes podem di- ferir em um ou mais dentre espessura; composição; largura e número.

[0025] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é fornecido um ímã HTS compreendendo primeiro e segundo espirais,

cada espiral sendo formado a partir de enrolamentos concêntricos ani- nhados, cada enrolamento compreendendo material HTS; e os primeiro e segundo elementos condutores, cada elemento condutor fornecendo uma conexão elétrica entre os espirais. Cada elemento condutor com- preende uma primeira superfície de contato elétrico através da qual se transfere a corrente elétrica para, ou de, uma parte do pelo menos um dentre os enrolamentos do primeiro espiral; e uma segunda superfície de contato elétrico através da qual se transfere a corrente elétrica para, ou de, uma parte do pelo menos um dos enrolamentos do segundo es- piral. Cada superfície fornece contato elétrico entre o elemento condutor respectivo e uma borda axial do espiral respectivo, substancialmente em torno do percurso do pelo menos um dentre os enrolamentos.

[0026] A resistência elétrica da conexão elétrica fornecida pelo pri- meiro elemento condutor, dividida pela resistência elétrica da conexão elétrica fornecida pelo segundo elemento condutor, pode ser superior a 1,5, superior a 3, ou superior a 10. As áreas das superfícies de contato elétrico do segundo elemento condutor podem ser superiores às áreas das superfícies de contato elétrico do primeiro elemento condutor.

[0027] O primeiro elemento condutor pode estar localizado radial- mente para fora do segundo elemento condutor. Isso pode permitir que o primeiro elemento condutor seja localizado em uma região do campo magnético inferior.

[0028] O primeiro ou o segundo elemento condutor pode compre- ender um resistor variável ou comutador. O resistor variável ou comuta- dor pode compreender material HTS.

[0029] De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, é fornecido um tokamak que compreende um ímã HTS como descrito acima. O ímã HTS é configurado para fornecer um campo magnético toroidal ou um campo magnético poloidal.

[0030] De acordo com um quarto aspecto da presente invenção, é fornecido um método de geração de uma corrente semipersistente no ímã HTS descrito acima. O método compreende preparar cada um dos espirais em um estado supercondutor; conectar um suprimento de ener- gia em paralelo através dos espirais; e desconectar o suprimento de energia.

[0031] O segundo elemento condutor pode compreender material HTS e o método pode compreender, após a conexão do suprimento de energia em paralelo através dos espirais, a alteração do material HTS de um estado normal para um estado supercondutor.

[0032] De acordo com um quinto aspecto da presente invenção, é fornecido um método de criação de uma conexão elétrica com um ímã HTS, compreendendo um espiral formado a partir de enrolamentos con- cêntricos aninhados, cada enrolamento compreendendo material HTS. O método compreende aplicar uma camada dielétrica ou eletricamente resistiva para cobrir parcialmente uma face do espiral; aplicar uma placa condutora à camada dielétrica ou eletricamente resistiva; e formar um contato elétrico entre a placa condutora e uma borda axial do espiral substancialmente em torno do percurso de pelo menos um dos enrola- mentos.

[0033] O método pode compreender adicionalmente aplicar uma ca- mada condutora interfacial entre a camada dielétrica, ou eletricamente resistiva, e o espiral, a camada condutora interfacial se estendendo atra- vés de um ou mais dos outros enrolamentos para transferir calor ou cor- rente elétrica da borda do, ou de cada, enrolamento.

[0034] De acordo com um sexto aspecto da presente invenção, é fornecida uma placa condutora para suprir corrente para uma borda axial de um espiral formado a partir de enrolamentos concêntricos ani- nhados. A placa condutora compreende um elemento condutor em for- mato anular formado integralmente com a placa ou fornecido na mesma. O elemento condutor compreende uma superfície de contato elétrico para fornecer o contato elétrico entre o elemento condutor e o espiral. O elemento condutor compreende, adicionalmente, uma camada dielé- trica ou eletricamente resistiva na placa condutora para fornecer uma proteção eletricamente isolante adjacente à superfície de contato elé- trico.

[0035] A placa condutora pode compreender, adicionalmente, uma camada condutora interfacial que se estende parcialmente, ou total- mente, através da camada dielétrica ou eletricamente resistiva. A ca- mada condutora interfacial é configurada para transferir calor ou cor- rente elétrica a partir da borda do ou de cada enrolamento.

[0036] De acordo com um sétimo aspecto da presente invenção, é fornecido um método de fabricação de uma placa condutora para suprir corrente para uma borda axial de um espiral formado a partir de enrola- mentos concêntricos aninhados. O método compreende fornecer um elemento condutor de formato anular, formado integralmente com a placa ou fornecido na mesma, o elemento condutor compreendendo uma superfície de contato elétrico para fornecer contato elétrico entre o elemento condutor e o espiral; e curar um composto de fibras e resina na placa condutora para formar uma camada dielétrica ou eletricamente resistiva na placa condutora para fornecer uma proteção eletricamente isolante adjacente à superfície de contato elétrico.

[0037] A cura pode compreender o aquecimento do composto até uma temperatura alvo, e a manutenção do composto na temperatura alvo por um período e resfriando o composto.

[0038] A taxa de aquecimento pode ser inferior a 1°C por minuto, preferivelmente inferior a 0,3°C por minuto. A taxa de resfriamento pode ser inferior a 1°C por minuto, preferivelmente inferior a 0,4°C por minuto. A temperatura alvo pode ser superior a ou igual a 180 °C. O período pode ser superior a 1 hora e, preferivelmente, superior a 2 horas.

[0039] Um método de formação de uma conexão elétrica, e/ou tér- mica, com uma superfície de cobre também é descrito aqui, compreen- dendo o fornecimento de uma camada de prata à superfície de cobre e fornecendo uma camada de índio à superfície de prata, onde a conexão elétrica e/ou térmica pode ser formada na camada de índio. Também é descrita uma conexão elétrica, e/ou térmica, que compreende uma su- perfície de cobre, uma camada de prata e uma camada de índio, a ca- mada de prata estando localizada diretamente entre a superfície de co- bre e a camada de índio. Breve Descrição dos Desenhos

[0040] A figura 1 é uma vista em perspectiva esquemática de uma fita HTS da técnica anterior; A figura 2 é uma vista plana esquemática de uma conexão de fio flutuante da técnica anterior; A figura 3A e a figura 3B são vistas planas esquemáticas dos ímãs HTS; e A figura 4 é uma vista transversal esquemática de um ímã HTS; A figura 5 é uma vista transversal esquemática de um ímã HTS; A figura 6 é uma vista transversal radial esquemática de um ímã HTS com uma conexão radial; A figura 7 é uma vista transversal radial esquemática de um ímã HTS com múltiplos espirais "empilhados"; A figura 8 é uma vista transversal esquemática de outro ímã HTS; A figura 9 é uma vista transversal esquemática do ímã HTS da figura 8, ilustrando a corrente elétrica fluindo através do ímã, quando um suprimento de energia está conectado em paralelo através dos es- pirais; e

A figura 10 é uma vista transversal esquemática do ímã HTS das figuras 8 e 9 ilustrando a corrente elétrica fluindo através do ímã depois que o suprimento de energia foi desconectado. Descrição Detalhada

[0041] Uma solução para os problemas acima é proposta aqui, na qual uma conexão elétrica é criada com um espiral de ímã HTS através da borda axial do espiral, de modo que a corrente elétrica possa ser suprida, ou recebida, através de uma face do enrolamento. Essa forma de conexão permite que um pacote de enrolamento denso de fita HTS seja preservado, de modo que nenhuma das fitas HTS se distancie do espiral. Por exemplo, a conexão elétrica pode ser fornecida por um con- dutor no formato anular localizado em cima de uma face do espiral, com o condutor entrando em contato com a borda voltada para cima do en- rolamento em torno da circunferência do espiral.

[0042] A disposição ou "conexão anular" pode ser utilizada para mi- nimizar o risco de falhas pontuais no ímã, durante a montagem e a ope- ração. Isso permite que a corrente seja suprida para, ou extraída dos, os espirais HTS sem a necessidade de se utilizar fios flutuantes, elimi- nando a necessidade de se utilizar muitas partes subsidiárias, reduzindo o custo e a complexidade e simplificando a fabricação dos ímãs HTS. Tais conexões ou juntas também podem aperfeiçoar o desempenho dos ímãs HTS como descrito abaixo.

[0043] Apesar de referência ser feita, nesse documento, a determi- nadas direções (por exemplo, para cima, para baixo) ou termos relativos (por exemplo, acima, em cima de, abaixo, etc.), deve-se compreender que esses termos são utilizados meramente para fins de fornecimento de exemplos dos conceitos descritos aqui. De forma similar, enquanto a descrição é exemplificada com referência a espirais tipo "panqueca", isso é, espirais muito planos formados a partir de enrolamentos concên- tricos aninhados, será compreendido a partir da discussão abaixo que a descrição não está limitada a tais espirais.

[0044] A integração de conexões anulares a estruturas maiores (descritas abaixo como uma Interface Eletrotérmica, "ETI", placas) tam- bém permite que conexões térmicas, isolamento e sensores elétricos, que são frequentemente tradicionalmente aplicados ao ímã separada- mente, sejam fornecidos como uma unidade. Isso simplifica o processo de montagem e permite que esses componentes sejam fabricados in- dependentemente do espiral HTS.

[0045] As figuras 3A e 3B ilustram vistas planas esquemáticas de duas possíveis implementações de uma conexão anular 300A, 300B para um espiral tipo panqueca 301.

[0046] O espiral 301 compreende enrolamentos concêntricos ani- nhados de fita HTS 100 em uma disposição predominantemente plana. A fita HTS 100 é enrolada "face a face", de modo que as bordas opostas da fita 100 se projetem ao longo do eixo geométrico 303 do espiral. Cada enrolamento completo corresponde a uma revolução completa (volta) da fita HTS 100 em torno do eixo geométrico do espiral 303. Os pontos inicial e final do enrolamento mais externo são rotuladas na figura 3A por 301A e 301B.

[0047] As conexões anulares 300A, 300B são formadas pelos con- dutores anulares respectivos 304A, 304B. Por motivos de clareza, os condutores anulares 304A, 304B são ilustrados atrás do espiral 301 a fim de ilustrar os enrolamentos do espiral. Cada condutor anular 304A, 304B compreende um anel feito a partir de um material condutor, prefe- rivelmente um metal, tal como cobre. Os condutores anulares 200A, 200B entram em contato com a borda superior ou inferior dos enrola- mentos a fim de fornecer o contato elétrico com o espiral 201. O condu- tor anular 300A está localizado no raio externo do espiral 201, enquanto o condutor anular 200B está localizado no raio interno do espiral 201.

Cada condutor anular 200A, 200B cobre apenas uma parte dos enrola- mentos, de modo que a corrente elétrica possa ser suprida para uma extremidade do espiral 201 e, dessa forma, circular através dos enrola- mentos.

[0048] À medida que os condutores anulares 300A, 300B fornecem, cada um, o contato elétrico com extremidades diferentes da fita HTS 100, os mesmos podem ser utilizados como um par para acionar a cor- rente elétrica radialmente a partir de dentro para fora do enrolamento 301 (ou vice-versa). Por exemplo, o espiral 201 pode ser fornecido (in- tercalado) entre o par de condutores anulares 304A, 304B, de modo que a corrente possa ser suprida para uma face do espiral 301 (por exemplo, o topo) por um condutor anular 304A, atravessar os enrolamentos do espiral 301 a fim de gerar um campo magnético e, então, ser recebida a partir da outra face do espiral pelo outro condutor anular 304B.

[0049] As larguras radiais dos condutores anulares 304A, 304B são escolhidas para equilibrar a resistência da conexão contra o número de voltas entre as conexões. A resistência de conexão pode ser reduzida alargando-se o condutor anular 304A, 304B de forma que cubra mais voltas do espiral 301. No entanto, como resultado disso, o campo mag- nético produzido pelo ímã por corrente unitária é reduzido visto que o número de voltas portando a corrente magnética total é reduzido. O oposto é verdadeiro se a largura radial for reduzida.

[0050] Visto que as conexões anulares podem subtender um com- primento na ordem da circunferência de espiral, conexões de baixa re- sistência podem, tipicamente, ser criadas com condutores anulares ra- dialmente estreitos 304A, 304B que não diminuem de forma significativa o campo produzido pelo ímã. Apesar de os condutores anulares 304A, 304B nas figuras 3A e 3B serem ilustrados se estendendo ligeiramente para fora das bordas externa/interna do espiral 301, o formato dos con- dutores anulares pode ser alternativamente combinado de forma mais próxima com o perfil radial do espiral 301 a fim de minimizar a pegada radial do espiral 301 e da conexão anular 300A, 300B.

[0051] Apesar de espirais tipo "panqueca" circulares serem utiliza- dos nas figuras 3A e 3B para ilustrar as características das conexões anulares 300A, 300B, será prontamente apreciado que esses tipos de conexão podem ser aplicados a outros formatos de espiral, tal como espirais de campo toroidal de formato de "D", tal como os utilizados em um tokamak. Em tais casos, as conexões anulares 300A, 300B não pre- cisam ser circulares e podem apresentar formatos de modo a seguir o percurso dos enrolamentos de espiral. De forma similar, não é necessá- rio que os condutores "anulares" 304A, 304B se estendam por completo em torno do percurso dos enrolamentos de espiral e, em vez disso, po- dem se estender apenas parcialmente em torno do percurso dos enro- lamentos de espiral. Por exemplo, para ímãs de raio grande e/ou que compreendem uma fita HTS espessa, pode ser possível se formar uma conexão de baixa resistência utilizando-se um condutor anular que se estenda apenas por 20%, 50% ou 80% do caminho em torno do per- curso dos enrolamentos, isso é, de modo que o condutor anular sub- tenda um ângulo inferior a 360 graus. A introdução de uma "quebra" no condutor anular (fazendo com que o mesmo não se estenda por com- pleto em torno do percurso de enrolamentos) pode evitar, preferivel- mente, a formação de circuitos de corrente parasíticos dentro do condu- tor anular, o que pode ser útil em aplicações tal como Ressonância Mag- nética Nuclear (NMR) ou Criação de Imagem de Ressonância Magné- tica (MRI). Em outras aplicações, tal como um Tokamak (ver abaixo), por exemplo, as restrições geométricas e/ou a presença de outros com- ponentes podem necessitar de tal quebra.

[0052] As conexões anulares podem ser fornecidas como parte de uma estrutura maior, que pode ser chamada de placa condutora ou placa de Interface Eletrotérmica (ETI). As placas ETI são, em geral, pla- cas de metal composto/isolante/sensor que, como discutido abaixo, po- dem ser fixadas às faces de borda dos espirais HTS em ordem para realizar vários papeis: * um meio de criação de conexões elétricas para e/ou entre os espirais HTS; * um meio de introdução de um resistor controlado em para- lelo com um espiral HTS para alcançar o "isolamento parcial". A geome- tria do resistor pode ser formatada para ajustar o comportamento ele- trotérmico dinâmico do espiral; * um meio de formação de uma interface térmica para o es- piral HTS para fins de resfriamento; * um meio de introdução de isolamento térmico elétrico entre os espirais HTS e protegendo mecanicamente o isolamento contra da- nos; * um meio para incluir itens auxiliares (tal como sensores ou aquecedores) em um ímã HTS sem perturbar os enrolamentos HTS.

[0053] A figura 4 ilustra uma seção transversal através de um ímã ilustrativo 400 compreendendo duas placas ETI 400A, 400B aplicadas a um único espiral tipo panqueca 401. Nesse exemplo, o espiral 401 compreende dois comprimentos da fita HTS 100 enrolados juntos em torno do eixo geométrico magnético 303. As fitas 100 são revestidas com cobre 101 como um "par de tipo 0" (como descrito, por exemplo, em WO 2018/078326) de modo que cada enrolamento inclua duas fitas. Um isolante 402 é fornecido entre os enrolamentos das fitas HTS 100 para evitar que a corrente elétrica flua através das faces da fita HTS, isso é, de modo que a corrente elétrica injetada em uma extremidade das fitas HTS 100 seja forçada a circular em torno dos enrolamentos do espiral 401. As placas ETI 400A, 400B compreendem, cada uma, um condutor anular respectivo 404A, 404B que forma uma conexão anular com qualquer extremidade das fitas HTS 100. Nesse exemplo, a cor- rente elétrica é suprida para o espiral 401 através da extremidade radi- almente mais interna das fitas HTS 100 utilizando a placa ETI inferior 400B. A corrente flui em torno de enrolamentos sucessivos do espiral 301 antes de ser recebida pela placa ETI superior 400A através do con- dutor anular 404A na extremidade radialmente mais externa das fitas HTS 100.

[0054] Apesar de as placas ETI 400A, 400B estarem em contato elétrico com o espiral 401 apenas através dos condutores anulares 404A, 404B, as placas propriamente ditas se estendem radialmente através do espiral para formar uma camada "condutora de base" 405A, 405B através da qual supre corrente para (ou recebe corrente de) as conexões anulares e para fornecer um percurso para conduzir o calor para longe do espiral 301. Nesse exemplo, os condutores de base 405A, 405B são formados a partir de cobre, apesar de outros materiais condu- tores (por exemplo, metais) também poderem ser utilizados. Os condu- tores anulares 404A, 404B podem ser formados integralmente com os condutores de base 405A, 405B ou afixados aos mesmos, por exemplo, por solda.

[0055] Pela formação de condutores anulares 404A, 404B em (ou integrais com) placas ETI 400A, 400B, os mesmos podem ser criados muito estreitos através de sua dimensão radial (inferiores a um milíme- tro, se necessário), enquanto ainda são fáceis de manusear, de uma forma que seria difícil de alcançar se o condutor anular fosse um item independente. A grande área de superfície fornecida pelos condutores de base 405A, 405B permite que o calor seja removido de forma efici- ente do espiral 401 e permite maior flexibilidade onde as conexões elé- tricas com o ímã podem ser dispostas.

[0056] O condutor de base 405A, 405B nas placas ETI 400A, 400B pode ser afinado a fim de minimizar o aumento de temperatura através do mesmo e garantir que os espirais não sejam muito espaçados axial- mente a fim de evitar diluir a intensidade do campo magnético. Alterna- tivamente, o calor também pode ser extraído radialmente para um bar- ramento de resfriamento no diâmetro externo, ou diâmetro interno, do espiral 401, caso no qual o condutor de base 405A, 405B deve ser sufi- cientemente espesso, de modo a satisfazer as exigências de tempera- tura. As placas ETI 400A, 400B também podem ser estruturadas para permitir que uma ou mais das faces do espiral 401 sejam resfriadas de forma mais eficiente (isso é, sem se basear na condução de calor para as extremidades radiais do espiral). Por exemplo, as placas ETI 400A, 400B podem incluir canais ou tubos através dos quais um resfriador de gás ou líquido flui, a fim de transferir o calor para longe do espiral 401. Preferivelmente, os canais ou tubos podem ser fornecidos em, ou dentro de, um ou mais dos condutores de base 405A, 405B.

[0057] O uso de placas ETI 400A, 400B para fins de resfriamento fornece uma abordagem alternativa aos métodos, tal como utilização de pastas termicamente condutoras, que possuem uma condutância tér- mica inferior em comparação com a solda e podem ser difíceis de aplicar bem em camadas finas e podem complicar o processo de fabricação.

[0058] A placa ETI 400A, 400B também inclui uma camada dielé- trica 406A, 406B para isolar eletricamente as bordas da fita HTS 100 das partes do condutor de base 405A, 405B das placas. As camadas dielétricas 406A, 406B são formadas a partir de um material dielétrico, por exemplo, um composto de fibra de vidro/resina, tal como um com- posto "pré-impregnado".

[0059] As placas ETI 400A, 400B incluem, adicionalmente, uma ca- mada condutora interfacial 407A, 407B que pode ser soldada no espiral 401 para obter um contato térmico e elétrico excelentes. Essa camada age como um resistor radial para controlar o comportamento térmico e elétrico do espiral 401. Tal "isolamento parcial", isso é, introdução de um resistor controlado, "volta a volta", fornece um equilíbrio desejável entre a estabilidade térmica e o tempo de escalada do espiral nos espi- rais HTS. A camada condutora interfacial é formada a partir de um ma- terial condutor, preferivelmente latão ou aço inoxidável, visto que esse material pode ser soldado e possui uma resistividade elétrica muito maior do que o cobre, permitindo que seja mais espesso e, dessa forma, apresente uma espessura mais facilmente controlada. Tal "Isolamento Parcial" (PI), isso é, introdução de um resistor controlado "volta a volta", fornece um equilíbrio desejável entre a estabilidade térmica e o tempo de escalada do espiral nos espirais HTS. Em particular, o uso de ca- mada que se estende através dos enrolamentos do espiral pode eliminar a necessidade de outras formas de isolamento parcial, tal como as ca- madas "enroladas" de metais, tal como aço inoxidável.

[0060] Em alguns casos, a camada condutora interfacial 407A, 407B pode ser unida à camada dielétrica 406A, 406B com cola. No en- tanto, a cola deve ser capaz de suportar as temperaturas de solda sem se tornar estruturalmente enfraquecida visto que, do contrário, existe uma tendência de as camadas delaminarem durante a solda. Uma forma de se superar esse problema é se utilizar um composto de fibra de vidro/resina, tal como um composto "pré-impregnado", como ambos o meio dielétrico e de união. Por exemplo, um composto, tal como "Pre- preg MTC400", produzido por "SHD Composites" pode ser utilizado. Pela realização de um processo de cura relativamente longo, é possível se elevar a temperatura de transição de vidro (T g) do composto acima da temperatura de solda típica do espiral. Por exemplo, o composto pode ser "pós-curado" pelo aquecimento a uma taxa de cerca de 0,3 C/min até 180°C, mantendo-se por 2 horas e, então, resfriando a uma taxa de cerca de 0,3 C/min. Esse procedimento pode, por exemplo, alcançar um Tg de 200°C, o que permite que o composto suporte a maior parte dos processos de solda, que ocorrem em temperaturas mais bai- xas. Pode, no entanto, não ser possível se realizar tal tratamento de cura com a placa ETI no lugar no espiral visto que as temperaturas e tempos elevados danificariam o espiral (devido à degradação contínua das fitas HTS, que ocorre como uma função da temperatura e do tempo) e possivelmente danificariam ou degradariam quaisquer conexões sol- dadas que já tiverem sido realizadas.

[0061] Apesar de espirais não isolados também poderem ser utili- zados, a inclusão do isolante 402 aumenta a eficiência da resistência, "volta por volta", bloqueando o percurso de resistência baixa alternativo entre os enrolamentos através do revestimento de cobre das fitas HTS

100.

[0062] A espessura das placas ETI 400A, 400B (isso é, a espessura total incluindo o condutor anular) está tipicamente na faixa de 0,25 a 1,00 mm, com a espessura da camada dielétrica (quando presente) es- tando tipicamente na faixa de 10 a 100 m e a espessura do condutor interfacial (quando presente) está tipicamente na faixa de 10 a 100 m.

[0063] A solda utilizada para unir a camada interfacial 407A, 407B aos enrolamentos do espiral 401 é tipicamente PbSn. No entanto, esse material é tão condutor que mesmo um revestimento fino de PbSn na camada interfacial 407A, 407B fornecerá um percurso de corrente de resistência muito baixa, o que fará com que a corrente elétrica ultra- passe a camada interfacial 407A, 407B. Para se evitar esse problema, um material de solda é escolhido como sendo um com uma alta resisti- vidade, preferivelmente um que possua uma resistividade superior a PbSn, por exemplo, um material de solda que apresente uma resistivi- dade que seja superior a 10 vezes a resistividade de PbSn quando o espiral está sendo utilizado em um ímã, por exemplo, em uma tempera- tura inferior à temperatura crítica da fita ReBCO. Por exemplo, o material de solda pode ser formado a partir de PbBi, visto que esse material apresenta uma resistividade que é cerca de 50 vezes superior à resisti- vidade de PbSn. De forma similar, PbBiSn também pode ser utilizado. A maior resistência do revestimento da solda PbBi (ou PbBiSn) (em comparação com o revestimento de solda PbSn) significa que mais cor- rente flui dentro da camada interfacial 407A, 407B.

[0064] O isolamento parcial das placas ETI oferece o benefício de ser altamente flexível. A resistência volta por volta pode ser controlada pela mudança de espessura e composição do condutor interfacial. A ge- ometria da camada condutora interfacial pode ser modificada pelo uso de litografia, tal como pela gravação de padrões tipo teia fragmentados a fim de interceptar correntes radiais de longo alcance, ou espirais indu- tores que fornecem impedância, ambos os quais podem permitir que um equilíbrio seja obtido entre os tempos de carregamento e a estabilidade termoelétrica.

[0065] O isolamento térmico fino entre os espirais tipo panqueca é desejável para fornecer as propriedades dielétricas necessárias sem se introduzir um aumento muito grande de temperatura causada pelo calor fluindo através dos mesmos. No entanto, visto que muitos materiais di- elétricos comuns (tal como folhas de poliimida) são macios, os mesmos são vulneráveis à perfuração sob tensões eletromagnéticas encontra- das durante a operação e montagem de ímã. Pela inclusão do isola- mento dentro de uma placa ETI, com folhas metálicas protegendo o iso- lamento em ambos os lados, o risco de perfuração é mínimo.

[0066] Visto que a placa ETI é um objeto separado do espiral, a mesma pode ser substituída a fim de mudar o comportamento do espi- ral. Por exemplo, pode-se fixar inicialmente as placas ETI a um condutor interfacial espesso para se operar com segurança o espiral e determinar sua corrente crítica. Uma vez que a corrente de trabalho máxima foi de- terminada, a placa ETI pode ser mudada para uma que ofereça a capa-

cidade de aumentar o ímã mais rapidamente dentro do envelope de de- sempenho conhecido do ímã.

[0067] A figura 5 ilustra uma seção transversal através de um ímã 500 compreendendo dois ímãs empilhados axialmente 400, cada um compreendendo um espiral tipo panqueca 401A, 401B. As conexões térmicas e elétricas entre os espirais 401A, 401B podem ser criadas pela conexão de camadas de base de cobre de placas ETI adjacentes 402A, 402B após o empilhamento. Isso pode ser feito pela pressão axial (isso é, ao longo do eixo geométrico 503 do ímã) e, opcionalmente, pela adição de uma camada condutora em conformidade 504, tal como uma camada de índio, entre os ímãs 400, ou por solda (apesar de isso exigir o aquecimento de todo o ímã). Uma técnica "NanoBond" (RTM) também pode ser utilizada, na qual uma folha de múltiplas camadas é inserida entre as placas ETI 402A, 402B e uma reação química é iniciada dentro da folha para gerar calor para soldar a folha a cada uma das placas.

[0068] A fim de que as conexões térmicas e/ou elétricas entre as placas ETI adjacentes 402A, 402B sejam eficientes, é preferível que a condição de superfície das placas seja boa, por exemplo, livre de óxi- dos. Uma forma de isso poder ser alcançado é se fornecer as camadas de base de cobre das placas ETI 402A, 402B com uma camada (por exemplo, um revestimento) de um metal nobre, tal como prata. Uma ca- mada de prata é preferida visto que a prata possui uma baixa afinidade com oxigênio e também é quimicamente compatível com índio, o que permite conexões pressionadas de alta qualidade utilizando-se uma ca- mada de índio em conformidade 504.

[0069] Placas adicionais 505A, 505B, tal como placas de cobre, po- dem ser fornecidas de forma axial em qualquer extremidade do ímã 500 a fim de fornecer resfriamento adicional ou para fornecer conexões elé- tricas com o ímã 500.

[0070] Um suprimento de energia (não ilustrado) é conectado atra- vés das placas 505A, 505B para suprir a corrente elétrica para o ímã

500. Nesse exemplo, as conexões anulares para cada uma das faces de ímã estão localizadas nas bordas radialmente mais externas dos es- pirais, enquanto as conexões anulares que conectam os dois espirais estão localizadas nas bordas radialmente mais internas dos espirais. A corrente elétrica, portanto, flui radialmente para dentro através dos en- rolamentos de um dos espirais, então, axialmente entre os espirais e, então, radialmente para fora através dos enrolamentos do outro espiral. À medida que a corrente flui em direções opostas através de cada espi- ral, os espirais 401A, 401B são enrolados em direções opostas (isso é, sentido horário/sentido anti-horário) de modo que o campo magnético produzido por cada um dos ímãs 400 tenha a mesma polaridade, per- mitindo, assim, que campos magnéticos muito grandes sejam gerados. Por exemplo, os espirais 401A e 401B podem ser preparados de forma idêntica (isso é, enrolados na mesma direção) e, então, um dos espirais é "virado" com relação ao outro, antes de ser empilhado para formar o ímã 500. Será apreciado que espirais tipo panqueca adicionais podem ser empilhados dessa forma, com placas ETI adicionais entre os mes- mos.

[0071] Como discutido acima, as placas ETI podem incluir canais ou tubos através dos quais o gás ou líquido flui a fim de transferir o calor para longe dos espirais. Tal disposição é particularmente eficiente para resfriar os ímãs empilhados axialmente 400, tal como os ilustrados na figura 5. Em particular, fornecer canais ou tubos de resfriamento nas placas ETI 402A, 402B localizadas entre os espirais permite que o calor seja transferido de forma mais eficiente a partir do "corpo" dos espirais 401A, 401B.

[0072] Os condutores anulares nas placas ETI também podem ser utilizados para criar conexões elétricas entre espirais tipo panqueca ani- nhados/concêntricos, isso é, conexões que portam a corrente na dire- ção radial, em vez de na direção axial, como descrito acima. Por exem- plo, um espiral tipo panqueca pode ser aumentado pelo enrolamento de um segundo comprimento de fita HTS em torno do mesmo, caso no qual, uma conexão elétrica pode ser criada entre as extremidades das duas fitas HTS utilizando-se um condutor anular, preferivelmente em uma placa ETI, isso é, o condutor anular é utilizado para fornecer uma conexão através de uma descontinuidade ou quebra nos enrolamentos. Um exemplo de onde isso pode ser útil é na redução de tensão em es- pirais profundos (os para os quais o raio externo dividido pelo raio in- terno é grande, superior a ~3, por exemplo). Em tal situação, é benéfico se subdividir o espiral em múltiplos espirais aninhados e interceptar as forças geradas por cada um, impedindo o acúmulo de tensão nos enro- lamentos. Nesse caso, uma conexão radial entre os espirais aninhados pode ser criada com um condutor anular adequado em uma placa ETI.

[0073] A figura 6 ilustra uma seção transversal radial através de um ímã HTS 600 com dois condutores anulares 604A, 604B fornecendo co- nexões radiais entre um espiral interno 601 e um espiral externo 602. Um suporte mecânico 607, tal como um cilindro, é fornecido entre os espirais interno e externo 601, 602 para interceptar as forças radiais en- tre os mesmos.

[0074] A figura 7 ilustra uma seção transversal radial através de um ímã HTS 600 que pode produzir campos magnéticos muito altos de uma forma compacta, robusta e direta.

[0075] O ímã HTS 700 compreende pilhas aninhadas radialmente 701, 702, 703 dos ímãs HTS 400 descritos acima. Por exemplo, a pilha radialmente mais externa compreende ímãs HTS 400A-F dispostos axi- almente, com ímãs adjacentes eletricamente conectados através de suas placas ETI respectivas. As conexões anulares formadas pelas pla- cas ETI são dispostas de modo que o fluxo de corrente alterne entre o fluxo axial (entre os espirais adjacentes) e o fluxo radial (em torno dos enrolamentos de cada espiral), como indicado pelas setas sobrepostas aos ímãs HTS 400A-F na figura 6. Quanto ao ímã HTS 400 descrito com referência à figura 4, os espirais dos ímãs adjacentes são enrolados em direções opostas de modo que o campo magnético ao longo do eixo geométrico 704 do ímã seja maximizado. As outras duas pilhas de ímãs aninhados 702, 703 possuem uma configuração similar a fim de reforçar o campo magnético gerado pela pilha externa 701. Juntas/conexões ra- diais 705, 706 são formadas entre as placas ETI finais das pilhas adja- centes para permitir que a corrente elétrica flua de uma pilha para fluir na próxima. No exemplo ilustrado na figura 6, a corrente é suprida para o imã 700 através da placa ETI superior do ímã HTS mais superior 400A da pilha externa 701. Depois de fluir através da pilha 701, como descrito acima, a corrente, então, flui radialmente através da conexão 705 para dentro da pilha aninhada externa 702. De forma similar, depois de fluir através dessa pilha 702, a corrente, então, flui radialmente para dentro da pilha aninha interna 703 através da conexão 706. Finalmente, depois de fluir através da pilha aninhada interna 703, a corrente sai do ímã 700 através da placa ETI inferior do ímã HTS mais inferior da pilha aninhada interna 703.

[0076] Apesar de no ímã ilustrativo 700, ilustrado na figura 7, existi- rem três pilhas 701, 702, 703, cada uma com 6 espirais HTS, qualquer número de pilhas e/ou espirais pode, obviamente, ser utilizado. As pi- lhas também podem ter números diferentes de espirais para fornecer maior flexibilidade ao projeto do ímã.

[0077] A composição do ímã HTS 700 a partir de muitos ímãs HTS menores ("subdivisão de espiral") fornece várias vantagens. Em parti-

cular, como descrito abaixo, a subdivisão de espiral permite que os pro- blemas com limitações de tensão das fitas HTS sejam superados e um projeto de ímã mais ideal, pela "graduação" dos espirais subdivididos, de acordo com sua localização no ímã 700 seja obtido.

[0078] Considerando-se as limitações de tensão das fitas HTS, a resistência à tensão transversal máxima permitida das fitas HTS 100 é tipicamente de cerca de 10 a 50 MPa, o que fornece uma limitação prá- tica à profundidade radial dos enrolamentos que podem ser utilizados. No entanto, esse problema pode ser evitado pela subdivisão de espiral, subdividindo um espiral em vários espirais radialmente aninhados, como ilustrado na figura 7, e inserindo os suportes mecânicos 707, 708 entre os espirais. De forma similar, forças axiais podem ser intercepta- das pela subdivisão ao longo do eixo geométrico do ímã e pela inserção de estruturas de suporte axial (não ilustradas).

[0079] Considerando-se "graduação" dos espirais subdivididos, nos imãs de alto campo, o vetor de campo magnético pode depender de forma significativa da localização radial e/ou axial com o ímã. Para ímãs HTS, isso significa que os parâmetros que caracterizam a operação do ímã como um supercondutor, tal como corrente crítica, também são de- pendentes de localização. Um projeto mais ideal do ímã 700 pode, por- tanto, ser obtido pela graduação da fita HTS 100, de acordo com o local onde está localizado no ímã. Por exemplo, para se alcançar o maior campo magnético possível, e para o gerenciamento de têmpera, é de- sejável se maximizar a razão (gama) da corrente para corrente crítica (I/Ic) em todo o ímã. A graduação pode ser realizada pela variação do número de fitas HTS por volta/enrolamento, a largura ou espessura da fita, ou o tipo de fita (isso é, o fabricante ou materiais HTS utilizados).

[0080] É frequentemente o caso de sensores (tal como sondas de temperatura ou tensão) precisarem ser embutidos nos ímãs HTS para fins de monitoramento. Itens adicionais, tal como aquecedores, também podem ser necessários para fins de proteção contra têmpera. É desejá- vel que o espiral HTS e os itens auxiliares sejam objetos separados, de modo que os dois possam ser fabricados separadamente e substituídos independentemente no caso de uma falha. Uma placa ETI adequada- mente adaptada pode ser criada para acomodar muitos sensores ou ou- tros itens que não precisem ser embutidos diretamente nos enrolamen- tos do espiral HTS.

[0081] A figura 8 ilustra uma seção transversal através de um ímã HTS 800 que é similar ao ímã HTS 500 ilustrado na figura 5, exceto que cada uma das placas ETI adjacentes 801A, 801B compreende um con- dutor anular interno 804A, 804B e um condutor anular externo 805A, 805B.

[0082] Como ilustrado na figura 9, a inclusão de dois condutores anulares em cada placa fornece dois percursos alternativos 908,909 por onde a corrente flui através do ímã 800 quando um suprimento de ener- gia 907 é conectado através do par de espirais. Um percurso 908, é igual ao percurso descrito com referência à figura 4, isso é, a corrente flui em torno dos enrolamentos de cada espiral 400 por vez, através dos condutores anulares internos 805A, 805B. O outro percurso 909 cria um "curto-circuito" ou contorna o percurso 908 fornecendo uma conexão elétrica entre os enrolamentos externos dos espirais 400. Nesse caso, a corrente flui para dentro de um dos espirais 400 através de seus en- rolamentos externos e sai do espiral através do condutor anular externo 804B, em vez de passar em torno dos outros enrolamentos do espiral. De forma similar, a corrente passa para dentro dos enrolamentos exter- nos do outro espiral através do condutor anular externo 804A, entre suas bordas axiais e saindo do espiral, sem contornar os outros enrola- mentos do outro espiral.

[0083] A proporção de corrente que flui ao longo de cada percurso

908, 909 é governada pelas resistências elétricas relativas dos percur- sos, o que pode ser controlado pela variação das resistências elétricas dos condutores anulares externo e interno 804A, 804B, 805A, 805B e/ou resistências elétricas associadas aos contatos elétricos criados pelos condutores anulares aos enrolamentos dos espirais 400. O percurso de circuitos mais longo 908 pode ser favorecido sobre o percurso mais di- reto e mais curto 909, de modo que a maior parte da corrente flua de forma radial para dentro e para fora dos espirais 400, tornando a resis- tência elétrica do percurso direto 909 muito maior do que a do percurso tortuoso 908. Isso é alcançado, por exemplo, criando-se áreas de con- dutores anulares externos 804A, 804B menores do que as áreas dos condutores anulares internos 805A, 805B. Apesar de uma pequena quantidade de corrente de vazamento passar através do percurso 909 e não contribuir para o campo magnético produzido pela circulação de corrente através dos enrolamentos dos espirais 400, os espirais 400 po- dem ser carregados até a corrente crítica total nos enrolamentos inter- nos, e a corrente de vazamento adicional pode ser portada pelos enro- lamentos externos, visto que possuem uma corrente crítica mais alta nessa região do campo magnético inferior. Uma vez que o ímã 800 é carregado, o suprimento de energia 907 pode ser desconectado de modo que a corrente flua em torno dos espirais 400 em um circuito fe- chado.

[0084] A figura 10 ilustra o percurso 1010 de uma corrente "aprisio- nada" fluindo dentro do ímã 800 depois de o suprimento de energia 907 ter sido desconectado. Nesse caso, a corrente flui em torno de um cir- cuito fechado que atravessa os enrolamentos dos espirais 400 e através de cada um dos condutores anulares 805B, 805A, 804A, 804B por sua vez. Visto que os espirais 400 são supercondutores, a corrente pode fluir em torno do percurso 1010 por longos períodos antes de diminuir,

isso é, a corrente circulante, e o campo magnético que gera são "semi- persistente".

[0085] A constante de tempo associada à redução da corrente cir- culante é definida pela razão (L/R) de autoindutância magnética do es- piral (L) para sua resistência elétrica (R). Considere-se por exemplo, um ímã que possui espirais possuindo um diâmetro interno de 50 mm e um diâmetro externo de 98 mm, uma autoindutância de ~2 mH, e conexões elétricas de resistência típica ~1-5 n em nitrogênio líquido (isso é, uma resistência combinada estimada das conexões elétricas interna e ex- terna de ~10 n). A constante de tempo L/R desse ímã seria de aproxi- madamente 200.000 segundos, isso é, 2,3 dias.

[0086] Uma constante de tempo grande também está associada a um longo tempo de "carregamento", isso é, o tempo para estabelecer uma distribuição de estado estável da corrente entre os percursos 908, 909 quando o suprimento de energia é conectado. Para se minimizar o tempo de carregamento, é benéfico se aumentar a resistência do per- curso 908 enquanto se carrega (isso é, na configuração ilustrada na fi- gura 9). Isso pode ser alcançado com um resistor variável ou comutador incorporado à conexão elétrica externa fornecida pelos condutores anu- lares externos 804A, 804B. Por exemplo, um comutador HTS compre- endendo material HTS pode ser fornecido entre os condutores anulares externos 804A, 804B. Durante o carregamento, o comutador está "des- ligado" (em um estado não supercondutor) para fornecer uma resistên- cia grande e, consequentemente, um carregamento rápido. Isso é al- cançado, por exemplo, pelo aquecimento do material HTS acima de sua temperatura crítica. O comutador é, subsequentemente, "ligado" (por exemplo, não mais aquecido, ou, invés disso, resfriado) para fechar o percurso de corrente 1010 e o suprimento de energia é desconectado.

[0087] Uma aplicação importante dos imãs HTS, tal como os des-

critos acima, está em um tipo de reator de fusão conhecido como to- kamak. Um tokamak apresenta uma combinação de campo magnético toroidal forte, alta corrente de plasma e, normalmente, um grande vo- lume de plasma e um aquecimento auxiliar significativo para fornecer plasma estável e quente. Isso permite que tokamaks gerem condições de modo que a fusão possa ocorrer. O aquecimento auxiliar (por exem- plo, através de dezenas de megawatts de injeção de feixe neutro de hidrogênio de alta energia, deutério ou trítio) é necessário para aumen- tar a temperatura para valores suficientemente altos necessários para que a fusão nuclear ocorra, e/ou para manter a corrente de plasma.

[0088] Os espirais magnéticos em um tokamak podem ser divididos em dois grupos. Os espirais de campo poloidal são espirais circulares horizontais enrolados com seu centro disposto na coluna central do to- kamak, e produzem um campo poloidal (isso é, um no qual é substanci- almente paralelo à coluna central). Os espirais do campo toroidal são enrolados verticalmente através da coluna central e em torno do exterior da câmara de plasma (os "membros de retorno") para produzir um campo toroidal (isso é, um que é circular em torno da coluna central). A combinação dos campos poloidal e toroidal produz um campo helicoidal dentro da câmara de plasma que mantém o plasma confinado.

[0089] As correntes necessárias para se gerar o campo toroidal são muito grandes. Os projetos para tokamaks, portanto, envolvem cada vez mais o uso de materiais supercondutores nos espirais de campo. Para um tokamak esférico compacto, o diâmetro da coluna central deve ser o menor possível. Isso apresenta as exigências de conflito, visto que a densidade de corrente que pode ser alcançada, mesmo com materiais supercondutores, é limitada.

[0090] Os ímãs HTS descritos aqui são particularmente adequados para uso em tokamaks, em particular tokamaks esféricos, por exemplo, para produzir qualquer um (ou ambos) os campos poloidal ou toroidal.

[0091] Enquanto várias modalidades da presente invenção foram descritas acima, deve-se compreender que as mesmas foram apresen- tadas por meio de exemplo, e não de limitação. Seria aparente aos ver- sados na técnica relevante que várias mudanças na forma e detalhe podem ser realizadas sem se distanciar do espírito e escopo da inven- ção. Por exemplo, apesar de os espirais acima terem sido descritos como possuindo fitas HTS 100 dispostas em uma configuração "tipo 0", outras configurações também são utilizadas, por exemplo, "tipo 1" e "tipo 2" (como descrito, por exemplo, em WO 2018/078326).

[0092] De forma similar, apesar de nos exemplos descritos acima, os espirais serem geralmente conectados em série através de um su- primento de energia, também é possível se conectar os espirais em pa- ralelo através do suprimento de energia. Dessa forma, a presente inven- ção não deve ser limitada por qualquer uma das modalidades ilustrati- vas descritas acima, mas deve ser definida apenas de acordo com as reivindicações a seguir e suas equivalências.

Claims (21)

REIVINDICAÇÕES

1. Ímã Supercondutor de Alta Temperatura (HTS), caracteri- zado pelo fato de compreender: um espiral formado a partir de enrolamentos concêntricos aninhados, enrolados em torno de um eixo geométrico do espiral, cada enrolamento compreendendo o material HTS; e primeiro e segundo elementos condutores compreendendo, cada um, superfícies de contato elétrico respectivas através da qual se supre a corrente elétrica para, ou recebe corrente elétrica de, uma parte do pelo menos um dos enrolamentos respectivo, cada superfície de con- tato elétrico fornecendo contato elétrico entre o elemento condutor e uma borda axial do espiral em torno de mais de 20% do percurso do pelo menos um dos enrolamentos respectivos, a superfície de contato elétrico do primeiro elemento condutor sendo localizada mais perto do eixo geométrico do que a superfície de contato elétrico do segundo ele- mento condutor, onde a corrente elétrica suprida para o espiral através do primeiro elemento condutor circula em torno de enrolamentos suces- sivos do espiral antes de ser recebida pelo segundo elemento condutor.

2. Ímã HTS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada enrolamento compreender fita HTS e revestimento conectado eletricamente à fita HTS, os contatos elétricos sendo forne- cido para o revestimento.

3. Ímã HTS, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracte- rizado pelo fato de as superfícies de contato elétrico fornecerem contato elétrico com uma ou mais das bordas axiais do espiral em torno mais de 50%, ou mais de 80% do percurso do pelo menos um dos enrolamentos respectivo.

4. Ímã HTS, de acordo com qualquer uma das reivindicações antecedentes, caracterizado pelo fato de uma ou mais das superfícies de contato elétrico terem formato anular.

5. Ímã HTS, de acordo com qualquer uma das reivindicações antecedentes, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos uma placa que se estende através de um ou mais dos outros enrolamentos, o primeiro ou segundo elemento condutor sendo formado integralmente com a placa ou fornecido na mesma.

6. Ímã HTS, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o primeiro ou segundo elemento condutor se projetar a partir de uma face da placa e a placa compreender adicionalmente uma ca- mada dielétrica ou eletricamente resistiva para isolar eletricamente a face da placa da parte de um ou mais dos outros enrolamentos.

7. Ímã HTS, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de compreender uma camada condutora interfacial que se es- tende através de um ou mais outros enrolamentos para transferir calor e/ou corrente elétrica da borda dos enrolamentos.

8. Ímã HTS, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a camada condutora interfacial compreender um metal sol- dável, tal como latão e/ou aço inoxidável.

9. Ímã HTS, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracte- rizado pelo fato de a camada condutora interfacial ser padronizada pela variação de sua espessura.

10. Ímã HTS, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 7 a 9, caracterizado pelo fato de o espiral compreender isolamento elétrico entre os enrolamentos.

11. Ímã HTS, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 5 a 10, caracterizado pelo fato de compreender um ou mais sen- sores e/ou um ou mais aquecedores dispostos entre a placa e o espiral.

12. Ímã HTS, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções antecedentes, caracterizado pelo fato de a superfície de contato elétrico do primeiro ou segundo elemento condutor fornecer o contato elétrico para qualquer enrolamento mais interno ou mais externo do es- piral.

13. Ímã HTS, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções antecedentes, caracterizado pelo fato de a superfície de contato elétrico do primeiro ou segundo elemento condutor fornecer contato elé- trico através de uma descontinuidade nos enrolamentos.

14. Ímã HTS, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções antecedentes, caracterizado pelo fato de as superfícies de contato elétrico fornecerem contato elétrico com faces opostas do espiral.

15. Ímã HTS, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções antecedentes, caracterizado pelo fato de compreender adicional- mente um ou mais espirais adicionais, o, ou cada, espiral adicional pos- suindo elementos condutores para fornecer contato elétrico com faces opostas desse espiral, os espirais sendo empilhados axialmente e ele- tricamente conectados um ao outro através de seus respectivos elemen- tos condutores.

16. Ímã HTS, de acordo com a reivindicação 15, caracteri- zado pelo fato de os espirais axialmente empilhados serem enrolados em direções opostas.

17. Ímã HTS, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções antecedentes, caracterizado pelo fato de compreender dois ou mais espirais aninhados concentricamente, cada um possuindo elemen- tos condutores respectivos, cada espiral sendo conectado eletricamente a um espiral adjacente por uma conexão elétrica entre os elementos condutores respectivos dos espirais.

18. Ímã HTS, de acordo com a reivindicação 17, caracteri- zado pelo fato de a conexão elétrica ser flexível.

19. Ímã HTS, de acordo com a reivindicação 17 ou 18, ca- racterizado pelo fato de compreender um ou mais suportes de interven- ção localizados entre os espirais adjacentes para interceptar as forças radiais.

20. Ímã HTS, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 17 a 19, caracterizado pelo fato de as fitas HTS respectivas dos espirais adjacentes diferirem em um ou mais dentre espessura, compo- sição, largura e número.

21. Tokamak compreendendo um ímã HTS, como definido em qualquer uma das reivindicações antecedentes, caracterizado pelo fato de o ímã HTS ser configurado para fornecer um campo magnético toroidal ou um campo magnético poloidal.