BR112022009175B1 - Método de detecção de condições suceptíveis de causar quench em ímã supercondutor e sistema de ímã supercondutor de alta temperatura - Google Patents

Abstract

DETECÇÃO DE QUENCH BASEADA EM TENSÃO OU CAMPO MAGNÉTICO. A presente invenção refere-se a um método de detecção de condições de "pré-quench" em um imã supercondutor compreendendo uma bobina de campo de HTS. A bobina de campo compreende uma pluralidade de voltas compreendendo material de HTS e estabilizador metálico; e material condutor conectando as voltas de forma que a corrente possa ser compartilhada radialmente entre as voltas através do material condutor. A tensão é monitorada para a bobina de campo de HTS e/ou estruturas de suporte da bobina de campo de HTS. A tensão monitorada é comparada a uma tensão esperada durante a operação normal do ímã. Em resposta à comparação, é determinado se a bobina de campo está em condições de "pré-quench". Um método similar é fornecido onde o campo magnético da bobina de campo de HTS é monitorado para detectar condições de "pré-quench", ao invés da tensão

Description

Campo da Invenção

[0001] A presente invenção refere-se à detecção de quench em sistemas magnéticos supercondutores de alta temperatura, e, em particular, aos métodos de detecção de quench, e sistemas magnéticos configurados para implementar os métodos.

Antecedentes

[0002] O desafio de produzir energia de fusão é extremamente complexo. Muitos dispositivos alternativos além dos tokamaks foram propostos, embora nenhum ainda tenha produzido resultados comparáveis com os melhores tokamaks atualmente em operação, como o JET.

[0003] A pesquisa mundial de fusão entrou em uma nova fase após o início da construção do ITER, a maior e mais cara (c15 bilhões de euros) tokamak já construída. O caminho bem-sucedido para um reator de fusão comercial exige pulso longo, operação estável combinada com a alta eficiência necessária para tornar econômica a produção de eletricidade. Estas três condições são especialmente difíceis de alcançar simultaneamente, e o programa planejado exigirá muitos anos de pesquisa experimental sobre o ITER e outras instalações de fusão, bem como pesquisa teórica e tecnológica. É amplamente previsto que um reator de fusão comercial desenvolvido através desta rota não será construído antes de 2050.

[0004] Para obter as reações de fusão necessárias para a geração econômica de energia (ou seja, muito mais energia fora do que dentro), o tokamak convencional tem que ser enorme (como exemplificado pelo ITER) para que o tempo de confinamento de energia (que é apro- ximadamente proporcional ao volume de plasma) possa ser suficientemente grande para que o plasma possa estar quente o suficiente para que a fusão térmica ocorra.

[0005] O WO 2013/030554 descreve uma abordagem alternativa, envolvendo o uso de um tokamak esférico compacto para uso como fonte de nêutrons ou fonte de energia. A baixa relação de aspecto da forma de plasma em um tokamak esférico melhora o tempo de confi- namento das partículas e permite a geração de energia líquida em uma máquina muito menor. Entretanto, uma coluna central de pequeno diâmetro é uma necessidade, o que apresenta desafios para o projeto do ímã de confinamento de plasma. As bobinas de campo de supercondutores de alta temperatura (HTS) são uma tecnologia promissora para tais ímãs.

[0006] Os materiais supercondutores são tipicamente divididos em "supercondutores de alta temperatura" (HTS) e "supercondutores de baixa temperatura" (LTS). Os materiais de LTS, como Nb e NbTi, são metais ou ligas metálicas cuja supercondutividade pode ser descrita pela teoria de BCS. Todos os supercondutores de baixa temperatura têm uma temperatura crítica (a temperatura acima da qual o material não pode ser supercondutor mesmo em campo magnético zero) abaixo de cerca de 30K. O comportamento do material de HTS não é descrito pela teoria de BCS, e tais materiais podem ter temperaturas críticas acima de cerca de 30K (embora deva ser observado que são as diferenças físicas na operação e composição dos supercondutores, e não a temperatura crítica, que definem o material de HTS e LTS). Os HTS mais comumente usados são os "supercondutores cuprate" - cerâmicas baseadas em cuprates (compostos contendo um grupo de óxido de cobre), tais como BSCCO, ou ReBCO (onde Re é um elemento de terra rara, comumente Y ou Gd). Outros materiais de HTS incluem pnictídeos de ferro (por exemplo, FeAs e FeSe) e diborato de magnésio (MgB2).

[0007] A ReBCO é normalmente fabricada como fitas, com uma estrutura como mostrado na Figura 1. Tal fita 100 é geralmente de aproximadamente 100 mícrons de espessura, e inclui um substrato 101 (tipicamente hastelloy eletropolido de aproximadamente 50 mí- crons de espessura), sobre o qual é depositado pelo IBAD, pulverização com magnetron, ou outra técnica adequada uma série de camadas tampão conhecida como pilha tampão 102, de espessura aproximada de 0,2 mícrons. Uma camada epitaxial de ReBCO-HTS 103 (depositada por MOCVD ou outra técnica adequada) sobrepõe a pilha de tampão, e tem normalmente 1 mícron de espessura. Uma camada de prata de 1-2 mícron 104 é depositada sobre a camada de HTS por pulverização ou outra técnica adequada, e uma camada estabilizadora de cobre 105 é depositada sobre a fita por galvanoplastia ou outra técnica adequada, que muitas vezes encapsula completamente a fita.

[0008] O substrato 101 fornece uma espinha dorsal mecânica que pode ser alimentada através da linha de fabricação e permite o crescimento das camadas subsequentes. A pilha tampão 102 é necessária para fornecer um modelo cristalino de textura biaxial sobre o qual cresce a camada de HTS, e evita a difusão química de elementos do substrato para o HTS que danificam suas propriedades supercondutoras. A camada de prata 104 é necessária para fornecer uma interface de baixa resistência do ReBCO para a camada estabilizadora, e a camada estabilizadora 105 fornece um caminho de corrente alternativo no caso de qualquer parte do ReBCO cessar a supercondução (entra no estado "normal").

[0009] Além disso, a fita de HTS "esfoliada" pode ser fabricada, que carece de um substrato e de uma pilha tampão e, em vez disso, tem camadas prateadas em ambos os lados da camada de HTS. A fita que tem um substrato será chamada de fita de HTS "substanciada".

[0010] As fitas de HTS podem ser dispostas em cabos de HTS. Um cabo de HTS compreende uma ou mais fitas de HTS, que são conectadas ao longo de seu comprimento através de material condutor (normalmente cobre). As fitas de HTS podem ser empilhadas (ou seja, dispostas de forma que as camadas de HTS sejam paralelas), ou podem ter alguma outra disposição de fitas, que pode variar ao longo do comprimento do cabo. Os casos especiais notáveis de cabos de HTS são fitas de HTS simples, e pares de HTS. Os pares de HTS compreendem um par de fitas de HTS, dispostas de tal forma que as camadas de HTS são paralelas. Quando a fita adesiva é usada, os pares de HTS podem ser do tipo 0 (com as camadas de HTS voltadas uma para a outra), tipo 1 (com a camada de HTS de uma fita voltada para o substrato da outra), ou tipo 2 (com os substratos voltados uma para a outra). Cabos com mais de 2 fitas podem organizar algumas ou todas as fitas em pares de HTS. As fitas de HTS empilhadas podem compreender vários arranjos de pares de HTS, mais comumente uma pilha de pares tipo 1 ou uma pilha de pares tipo 0 e (ou, equivalentemente, pares tipo 2). Os cabos de HTS podem ser compostos por uma mistura de fita adesiva subcoberta e esfoliada.

[0011] Um tipo comum de bobina de HTS é uma "pancake coil", onde os cabos de HTS 201 são enrolados para formar uma bobina plana, de forma semelhante a um carretel de fita. As bobinas de pancake podem ser produzidas com um perímetro interno que tenha qualquer forma bidimensional. Muitas vezes, as bobinas de pancake são fornecidas como uma "bobina de pancake dupla", que compreende duas bobinas de pancake enroladas em sentido oposto, com isolamento entre as bobinas de pancake, e com os terminais internos conectados entre si. Isto significa que a tensão só precisa ser fornecida aos terminais externos que são geralmente mais acessíveis, para acionar a corrente através das voltas da bobina e gerar um campo magnético.

[0012] As bobinas de HTS podem ser "isoladas" - tendo material isolante elétrico entre as voltas da bobina, ou "não isoladas", onde as voltas da bobina são eletricamente conectadas radialmente, assim como ao longo dos cabos (por exemplo, conectando as camadas estabilizadoras de cobre dos cabos por solda ou por contato direto). Além disso, as bobinas podem ser "parcialmente isoladas" - ou seja, ter uma camada entre as bobinas com uma resistência intermediária entre os isoladores usados para uma bobina isolada, ou os metais que unem os cabos de uma bobina não isolada. Por exemplo, o isolado parcial pode ser uma camada mais grossa de um metal de resistência relativamente alta, ou um semicondutor, ou uma camada composta construída para dar uma resistência relativamente alta. Alternativamente, bobinas parcialmente isoladas podem ser formadas fornecendo outros caminhos radiais de corrente produzidos de material condutor - por exemplo, na lateral da bobina de campo.

Sumário

[0013] De acordo com um primeiro aspecto, é fornecido um méto do para detectar condições de pré-quenchem um ímã supercondutor compreendendo uma bobina de campo de HTS. A bobina de campo compreende uma pluralidade de voltas compreendendo material de HTS e estabilizador metálico; e material condutor conectando as voltas de forma que a corrente possa ser compartilhada radialmente entre as voltas através do material condutor. A tensão é monitorada para a bobina de campo de HTS e/ou estruturas de suporte da bobina de campo de HTS. A tensão monitorada é comparada a uma tensão esperada durante a operação normal do ímã. Em resposta à comparação, é determinado se a bobina de campo está em condições de pré-quench.

[0014] De acordo com um segundo aspecto, é fornecido um méto do para detectar condições de pré-quench em um ímã supercondutor compreendendo uma bobina de campo de HTS. A bobina de campo compreende uma pluralidade de voltas compreendendo material de HTS e estabilizador metálico; e um material condutor que conecta as voltas de forma que a corrente possa ser compartilhada radialmente entre as voltas através do material condutor. Um campo magnético da bobina de campo de HTS é monitorado. O campo magnético monitorado é comparado a um campo magnético esperado durante a operação normal do ímã. Em resposta a esta comparação, é determinado se a bobina de campo está em condições de pré-quench.

[0015] De acordo com um terceiro aspecto, é fornecido um sistema supercondutor de alta temperatura, HTS, ímã que compreende uma bobina de campo HTS. A bobina de campo de HTS compreende uma pluralidade de voltas que compreende material de HTS e estabilizador metálico; e material condutor que conecta as voltas, de tal forma que a corrente pode ser compartilhada entre as voltas através do material condutor. O sistema magnético de HTS compreende ainda um sistema de proteção de quench e um ou mais sensores de tensão localizados na bobina de campo de HTS ou em um suporte estrutural da bobina de campo de HTS. O sistema de proteção de quench é configurado para monitorar as medições de tensão de um ou mais sensores de tensão; comparar as medições de tensão com uma tensão esperada durante a operação normal do ímã; e em resposta a esta comparação, determinar se a bobina de campo está em condições de pré-quench.

[0016] De acordo com um quarto aspecto, é fornecido um sistema supercondutor de alta temperatura, HTS, ímã compreendendo uma bobina de campo de HTS. A bobina de campo de HTS compreende uma pluralidade de voltas que compreende material de HTS e estabilizador metálico; e material condutor que conecta as voltas, de tal forma que a corrente pode ser compartilhada entre as voltas através do material condutor. O sistema magnético de HTS compreende ainda um sistema de proteção de quench e um ou mais sensores de campo magnético. O sistema de proteção de quench é configurado para monitorar as medições do campo magnético de um ou mais sensores de campo magnético; comparar as medições do campo magnético com um campo magnético esperado durante a operação normal do ímã; e em resposta a esta comparação, determinar se a bobina de campo está em condições de pré-quench.

[0017] De acordo com um quinto aspecto, é fornecido um tokamak compreendendo um sistema de ímã de HTS de acordo com o terceiro do quarto aspecto, em que uma bobina de campo toroidal ou bobina de campo poloidal do tokamak compreende a bobina de campo de HTS.

Breve Descrição dos Desenhos

[0018] A Figura 1 é um diagrama esquemático de uma fita de HTS;

[0019] A Figura 2 é um diagrama esquemático de um sistema su percondutor de ímãs;

[0020] A Figura 3 é um diagrama esquemático de um sistema de ímãs supercondutores que compreende várias bobinas.

Descrição Detalhada

[0021] Bobinas parcialmente isoladas e não isoladas, ou seja, bo binas onde existe um caminho condutor (não supercondutor) entre as voltas que permite o fluxo de corrente radialmente entre as voltas, são geralmente resistentes à quenche (o ímã torna-se não supercondutor durante a operação) e a danos durante uma quench (uma vez que isto resulta em parte do arco entre as voltas em uma bobina isolada). No entanto, foi constatado que podem ocorrer danos significativos por quench em bobinas parcialmente e não isoladas devido aos grandes deslocamentos no campo magnético e à tensão resultante da transferência da corrente da trajetória espiral (isto é, no HTS da bobina) para a trajetória radial (isto é, diretamente através da conexão metálica ou do isolamento parcial). Isto é particularmente notável em sistemas de ímãs com múltiplas seções de bobina - por exemplo, conjuntos de bobinas de campo toroidal (TF) para tokamaks. Se um "membro" da bobina de TF sofre quench, então o desequilíbrio magnético resultante pode causar danos significativos a todo o conjunto de bobinas de TF devido às grandes forças desequilibradas.

[0022] Embora os grandes deslocamentos destrutivos de tensão e campo magnético sejam claramente um problema, a descrição abaixo propõe o uso dos menores deslocamentos de tensão e campo que ocorrem durante o início de uma quench devido à divisão da corrente entre as voltas para detectar a quench incipiente e fornecer aviso suficiente para descer com segurança o ímã e reduzir ou prevenir os danos causados pela quench. Em geral, a detecção de quench envolve a detecção de "condições "pre-quench"", ou seja, condições que podem causar uma quench, ou sinais tais como compartilhamento de corrente entre as bobinas ou pontos quentes dentro das bobinas que indicam que uma quench pode ocorrer em breve.0

[0023] A detecção de quench pode ser realizada monitorando uma ou ambas as tensões em cada bobina do conjunto (e/ou em componentes estruturais próximos) ou o campo magnético próximo a cada bobina do conjunto. Em um exemplo amplo, as condições de pré- quench podem ser sinalizadas quando há qualquer desvio (por exemplo, maior que a precisão de medição dos extensômetros usados) das medições esperadas durante a operação com ímãs. Alternativamente, as condições de pré-quench podem ser sinalizadas quando qualquer desvio for maior que um limite (por exemplo, 1% maior que a medida esperada). Isto seria adequado para um sistema no qual o custo po-tencial de um número maior de paradas desnecessárias vale a pena suportar para economizar os custos potenciais de uma quench não controlada.

[0024] Alternativamente, o sistema de proteção de quench poderia ser configurado para responder apenas a certas medições pelos sensores de tensão e/ou campo, por exemplo, a um campo magnético perpendicular ao campo magnético da bobina durante operações normais (um campo "fora do eixo"), ou a uma tensão em um componente inesperado ou em uma direção inesperada (onde "inesperado" signifi-ca "não seria esperado durante a operação normal" - ou seja, pode ser esperado no caso de uma quench ou condições pré-quench).

[0025] Em sistemas com várias bobinas, a detecção das condições de pré-quench em uma bobina pode ser baseada em mudanças na tensão dentro e ao redor de outra bobina do sistema - isto porque as mudanças no campo magnético da primeira bobina causarão mudanças no equilíbrio de forças nas outras bobinas do sistema. Isto se aplica se as múltiplas bobinas fazem parte do mesmo ímã (por exemplo, os membros individuais de um conjunto de bobinas de TF).

[0026] O julgamento de "tensão/campo durante a operação nor mal" pode ser baseado na potência que está sendo fornecida atualmente à bobina - por exemplo, o sistema de proteção de quench pode receber como entrada os detalhes da corrente fornecida a cada bobina, determinar um modelo de tensão e/ou campo com base nessas correntes (por exemplo, por referência a uma tabela de ligação ou por cálculo em um modelo simples), e comparar as leituras dos sensores de tensão e/ou campo com o modelo de tensão e/ou campo. Conforme observado acima, as condições de pré-quench podem ser sinalizadas (e procedimentos de prevenção de quench, tais como a descida do ímã acoplado), seja para qualquer desvio significativo do modelo, seja para desvios de certos tipos - por exemplo, perpendicularmente ao campo/tensão esperado.

[0027] Em um sistema equilibrado de múltiplas bobinas, ou seja, um sistema no qual o padrão de tensão/campo magnético deve ser o mesmo para cada bobina durante a operação normal, a tensão/campo magnético esperado durante a operação normal que é usado para comparação pode ser baseado na tensão/campo magnético medido das outras bobinas - ou seja, o padrão de tensão esperado é que a tensão em cada bobina seja idêntica a dentro da faixa de precisão do medidor. Um padrão particular de desvios na tensão pode indicar condições de pré-quench - por exemplo, onde desvios iguais e opostos estão presentes nas duas bobinas de cada lado de uma bobina, com desvios iguais e opostos reduzidos nos próximos vizinhos mais próximos.

[0028] Considerações semelhantes aplicam-se a sistemas que não são totalmente balanceados, mas que têm simetria - por exemplo, onde um sistema de múltiplas bobinas tem dois conjuntos de bobinas que têm simetria refletiva uma com a outra, a tensão/azul magnético esperado pode ser baseado na tensão/campo magnético medido de cada bobina, com a expectativa de que o padrão de tensão/campo magnético também deve ter simetria refletiva.

[0029] Em uma bobina de TF típica de um pequeno tokamak esfé rico (raio maior de plasma de aproximadamente 1,5 m), a tensão esperada pode ser de até 0,25% (2500 microstensão), e a sensibilidade dos sensores de tensão pode ser melhor que 0,01 microstensão. Como tal, é possível uma determinação muito precisa e de alta resolução da tensão no ímã.

[0030] A Figura 2 mostra um sistema de ímã supercondutor exemplar, em forma esquemática. O sistema de ímã compreende: uma bobina de campo de HTS 201, com estruturas de suporte 202; uma pluralidade de sensores de tensão 203 na bobina de campo de HTS 201 e as estruturas de suporte 202; uma pluralidade de sensores de campo magnético 204 po-sicionados para monitorar o campo magnético produzido pela bobina de campo de HTS 201; um sistema de proteção de quench 205 configurado para: monitorar as medidas dos sensores de tensão e sensores de campo magnético; comparar as medições monitoradas com um perfil de tensão esperado durante a operação normal e um perfil de campo magnético esperado durante a operação normal; determinar se a bobina de campo está ou não em condições de pré-quench com base nessa comparação.

[0031] A Figura 3 mostra um sistema magnético de múltiplas bobinas, compreendendo uma pluralidade de bobinas 201 como mostrado na Figura 2 (com estruturas de suporte associadas 202, e sensores 203, 204). O sistema de proteção de quench 305 está configurado para: monitorar as medidas dos sensores de tensão e sensores de campo magnético; comparar as medições monitoradas com um perfil de tensão esperado durante a operação normal e um perfil de campo magnético esperado durante a operação normal; determinar se cada bobina de campo está ou não em condições de pré-quench com base nessa comparação, usando tanto os sensores em cada bobina de campo, quanto os sensores nas outras bobinas de campo.

[0032] Como explanado nos exemplos mais detalhados acima, o sistema magnético também poderia ser construído com apenas sensores de tensão ou apenas sensores de campo magnético, e com o sistema de proteção de quench configurado para considerar apenas tensão ou campo magnético (conforme o caso).

[0033] O sistema de proteção de quench pode ser ainda configura do para ativar alguma forma de prevenção ou mitigação de quench após a determinação de que a bobina de campo está em condições de pré- quench - por exemplo, para acionar o despejo da corrente magnética para uma massa fria, como, por exemplo, mudando para uma carga resis- tiva ou deliberadamente quenching uma grande parte do ímã.

Claims (6)

1. Método de detecção de condições susceptíveis de causar uma quench em um ímã supercondutor compreendendo uma pluralidade de bobinas de campo de HTS, cada bobina de campo compreendendo: uma pluralidade de voltas compreendendo material de HTS e estabilizador metálico; e um material condutor que conecta as voltas de tal forma que a corrente pode ser compartilhada radialmente entre as voltas através do material condutor; caracterizado pelo fato de que compreende: monitorar a tensão e/ou um campo magnético de cada bobina de campo de HTS (201); comparar a tensão e/ou o campo magnético monitorado(s) de cada bobina de campo de HTS (201) com a tensão e/ou o campo magnético monitorado(s) de pelo menos uma outra bobina de campo de HTS (201) da pluralidade de bobinas de campo de HTS; em resposta a dita comparação, determinar se uma ou mais bobinas de campo de HTS são passíveis de quench.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a determinação se uma ou mais bobinas de campo de HTS são capazes de quench compreende um ou mais de: determinar que uma das bobinas de campo de HTS é capaz de quench se a tensão ou campo magnético monitorado diferir da tensão ou campo magnético de pelo menos uma outra bobina de campo de HTS (201) por mais de um valor limite; determinar que uma das bobinas de campo de HTS é susceptível de quench se a tensão ou campo magnético monitorado tiver um componente perpendicular à tensão ou campo magnético de pelo menos uma outra bobina de campo de HTS (201) com uma magnitude maior que um valor limite.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o ou cada valor limite é uma proporção predeterminada da tensão ou campo magnético de pelo menos uma outra bobina de campo de HTS (201).

4. Sistema de ímã supercondutor de alta temperatura, HTS, compreendendo uma pluralidade de bobinas de campo HTS, cada bobina de campo HTS compreendendo: uma pluralidade de voltas compreendendo material de HTS e estabilizador metálico; um material condutor que conecta as voltas, de modo que a corrente possa ser compartilhada entre as voltas através do material condutor; o sistema de ímã HTS, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um sistema de proteção de quench (305) e uma pluralidade de sensores (203, 204) compreendendo: um ou mais sensores de tensão (203) localizados em cada bobina de campo de HTS (201) ou em um suporte estrutural de cada bobina de campo de HTS (201), e/ou um ou mais sensores de campo magnético (204) configurados para monitorar o campo magnético de cada bobina de campo de HTS (201); em que o sistema de proteção de quench (305) está configurado para: monitorar medições de tensão e/ou campo magnético para cada bobina de HTS usando a pluralidade de sensores (203, 204); comparar as medições de tensão e/ou campo magnético para cada bobina de HTS com as medições de tensão e/ou campo magnético de pelo menos uma outra bobina de campo de HTS (201) da pluralidade de bobinas de campo de HTS; em resposta a dita comparação, determinar se uma ou mais bobinas de campo de HTS são passíveis de quench.

5. Sistema de imã de HTS de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o material condutivo está contido dentro de uma camada parcialmente isolante compreendendo qualquer um de: uma camada intermitente de isolamento; um semicondutor; uma tira metálica com uma camada intermitente de isolamento em cada lado; e um material de transição metal-isolante.

6. Tokamak caracterizado pelo fato de que compreende um sistema de ímã HTS como definido na reivindicação 4, em que a pluralidade de bobinas de campo de HTS são bobinas de campo toroi- dais do tokamak.