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Supraleitendes Kabel
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Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Kabel zum verlustarmen Transport
hoher Ströme im Bereich zeitlich konstanter oder sich ändernder Magnetfelder aus
einer Vielzahl von parallel geschalteten in elektrisch gut leitendes Normalmetall
eingebetteten supraleitenden Filamenten (Filamentdrähte), die zum Erreichen einer
hohen magnetischen Stabilität und geringer elektrischer Verluste aus gleichsinnig
oder alternierend verdrillten Filamentdrähten gebildet sind und zum Aufnehmen statischer
und dynamischer Magnetkräfte eine Trägerstruktur aus einem unmagnetischen Werkstoff
besitzen.
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Kabel dieser Art werden benötigt für Toroidal- und Poloidalspulen
in Fusionsreaktoren und für supraleitende Torusexperimente kleineren Maßstabs, die
mit Betriebsströmen der Größenordnung 10 kA betrieben werden müssen, damit eine
Schnellentladung ohne unzulässig hohe Klemmenspannung möglich ist. Die erforderlichen
Supraleiterquerschnitte, die diesen Betriebsstrom auch im Bereich
des
maximalen Feldes von 8 T bei der Toruswicklung mit NbTi-Supraleitern tragen müssen,
erfordern große Querschnitte des Stabilisierungsmaterials, so daß eine kompakte
Leiterkonfiguration wegen zu hoher Wirbelstromverluste nicht möglich ist. Abgesehen
von der Spulenform ist die Beanspruchung des Leitermaterials durch zeitlich veränderliche
Magnet felder der hauptsächliche Unterschied zwischen Wechselstrommagneten und den
bekannten supraleitenden großen Gleichstrommagneten. Diese dem zeitlich konstanten
Torusfeld überlagerten gepulsten Magnetfelder, erzeugt durch die Poloidalfeldspulen
sowie durch den Plasmastrom, rufen Verluste hervor, die teils im Supraleiter selbst,
teils im stabilisierenden Normalmetall und im metallischen Strukturmaterial entstehen.
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Diese prinzipiell unvermeidbaren Verluste müssen im Interesse der
ökonomie des Gesamtsystems möglichst gering gehalten werden.
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Leiterkonzepte mit dicken supraleitenden Filamenten, eingebettet in
kompakte Querschnitte aus gut leitendem Normalmetall wie Kupfer und evtl. Aluminium,
wie sie für große Gleichstrommagnete entwickelt wurden, erfüllen diese Forderung
in einem gepulsten Toroidalfeldsystem nicht.
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Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse eine NbTi-Struktur
in Normalmetall wie Kupfer einzubetten, an deren Oberfläche Kühlkanäle durch in
die Struktur eingebrachte Rinnen zu bilden und zum Aufnehmen von Magnetkräften mit
einer Platte aus nichtrostendem Stahl (unmagnetisch) abzudecken, deren Oberflächen
elektrisch isoliert sind (JOKA/7,6 T ANL-Conductor). Bei dieser Anordnung ist eine
Kühlung der Supraleiterstruktur nur an wenigen Stellen möglich, so daß beim örtlichen
Übergang zur Mormalleitung eine Rückkehr zur Supraleitung ohne Quench nur durch
Einsatz großer normalleitender Querschnitte möglich ist.
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Es ist auch vorgeschlagen worden (UWMAK-I Wisconsin, A., Toroidal
Fusion Reactor design UWFDM-68 (1973)), einen in Kabellängsrichtung verlaufenden
Träger aus unmagnetischem Stahl zum Aufnehmen von Magnetkräften zu verwenden, dessen
Querschnitt eine sich wiederholende H-förmige Gestalt hat. Die Freiräume des Querschnitts
sind überwiegend mit vorgespanntem Kupfer als den an der Außenseite angeordneten
Supraleiter kryogen stabilisierendes Normalmetall ausgefüllt. Eine seitliche Abdeckplatte
bildet an der äußeren Oberfläche des rechteckförmigen Filamentdrahtes einen Kühlkanal.
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Zur kryogenen Stabilisierung der Filamentdrähte ist wegen der kleinen
gekühlten Oberfläche ein großer Querschnitt normalleitenden Metalls erforderlich.
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Bei einem anderen bekannten Vorschlag sind drei NbTi-Filamentdrähte
mit Kreisquerschnitt mit Kupfer als Normalmetall zu einem runden ersten Draht geformt.
Nach dem gleichen Prinzip sind drei erste Drähte zu einem zweiten Draht und drei
zweite Drähte zu einem dritten Draht verarbeitet. In einem Kreisquerschnitt eines
außen quadratischen Trägers aus unmagnetischem Stahl ist eine Vielzahl dritter Drähte
angeordnet, die Zwischenräume zum Durchleiten eines Kühlmittels bilden. Der Nachteil
dieses Kabels besteht neben seinem komplizierten und kostenintensiven Aufbau vor
allem darin, daß die dritten Drähte nicht ausreichend in der Bohrung des Trägers
fixiert werden können, so daß diese Drähte im Wechselfeld durch Druck oder Reibung
die Sprungtemperatur überschreiten und deshalb die notwendige Betriebssicherheit
nicht erreicht werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein supraleitendes Kabel
zu entwickeln, das geeignet ist für den Einsatz in Poloidal- und Torusfeldspulen
für plasmaphysikalische Geräte und Fusionsreaktoren.
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Dieses Kabel soll insbesondere möglichst geringe Wechselfeldverluste
haben, eine hohe Betriebssicherheit durch geeignete Maßnahmen zur
kryogenen
Stabilisierung erreichen, statische und dynamische Nagnetkräfte mit Sicherheit aufnehmen
können, in einfacher Weise kühlbar sein, in einem wirtschaftlichen Verfahren herstellbar
sein und eine einfache und rationelle Spulenfertigung ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch gelöst, daß jeder einer Vielzahl
von i'1ilamentdrhten durch einn Mantel aus elektrisch gut leitendem Normalmetall
als kryogen stabilisierter Supraleiterdraht ausgebildet ist, daß der Kern des Kabels
aus einem in Kabellängsrichtung verlaufenden bandförmigen Träger (Trägerband) besteht,
daß die Supraleiterdrähte einlagig an der Oberfläche des Trägerbandes angeordnet
und dort befestigt sind, und daß die Supraleiterdrähte auf dem Trägerband so verteilt
sind, daß jeder Supraleiterdraht eine halbe Verseillänge (LS/2) alternierend auf
der einen und auf der anderen Seite des Trägerbandes geführt ist.
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Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß zum Bilden von Kühlkanälen
zwischen je zwei Supraleiterdrähten ein deren Abstand bestimmender Abstandsdraht
auf dem Trägerband befestigt und mit den benachbarten Supraleiterdrähten verbunden
ist.
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Durch diese Maßnahmen werden die durch veränderliche Magnetfelder
im Strukturmaterial induzierten Wirbelströme gering gehalten. Dabei kann es in bestimmten
Anwendungsfällen von besonderer Bedeutung sein, daß das Trägerband aus einem faserverstärkten
Kunststoff, also einem Werkstoff hoher mechanischer Festigkeit und sehr geringer
elektrischer Leitfähigkeit besteht.
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Die Herabsetzung der Wirbelströme läßt sich in einfacher Weise dadurch
erreichen, daß das Trägerband aus mindestens zwei Metallbändern gebildet wird, und
daß die Metallbänder durch eine elektrisch isolierende Zwischenschicht getrennt
sind.
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Bei dem den Supraleiterdraht umgebenden, die kryogene Stabilisierung
bewirkenden Normalmetall guter elektrischer Leitfähigkeit müssen die Abmessungen
in der zur Pulsfeldkomponente senkrechten Ebene möglichst klein sein. Dadurch bleibt
die das Normalmetall durchsetzende magnetische Flußänderung und somit auch die Dissipation
infolge Wirbelströmen gering. Dieser Effekt kann durch resistive Barrieren, z.B.
durch eingelagerte Cu-Ni-Barrieren oder Lötschichten unterstützt werden. Iri einfachsten
Fall kann diese Wirkung dadurch erzielt werden5 daß der den Filamentdraht umschließende
Mantel aus Normalmetalldrähten besteht, die bei einer Weiterbildung der Erfindung
miteinander verschweißt oder verlötet sind.
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Als besonders wirkungsvoll hat es sich erwiesen, daß auf dem Trägerband
mehrere mit den Supraleiterdrähten gemeinsam verseilte und von diesen durch Abstandsdrähte
distanzierte Abstandshalter befestigt sind, daß die Abstandshalter Rechteckquerschnitt
haben, daß ein beim Verarbeiten zu Spulen mitgewickeltes Stahlband auf den Abstandshaltern
aufliegt und dadurch die Supraleiter von Druckkräften entlastet.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß durch
die räumlich getrennte Anordnung der auf dem Trägerband verseilten und dort fixierten
Supraleiterdrähte der überwiegende Teil der Oberfläche derselben vom Kühlmittelstrom
benetzt wird. Dadurch verringert sich der Bedarf an Normalmetall zum kryogenen Stabilisieren,
also zum Zurückführen einer normalleitenden Zone inden supraleitenden Zustand, außerdem
kann die normalleitende Stelle nicht auf benachbarte Supraleiterdrähte übergreifen.
Die geringen Querabmessungen des den Supraleiterdraht einschließenden Normalmetalls
führen zu einer Herabsetzung der Wirbelstromverluste. Ein anderer wesentlicher Vorteil
besteht darin, daß durch die Anordnung von Abstandshaltern auf dem Trägerband und
die Fixierung der Supraleiterdrähte auf dem Trägerband große magnetische Kräfte
auf Strukturelemente übertragen werden, ohne daß Belastungen der Supraleiterdrähte
auftreten. Der konstruktive Aufbau des supraleitenden
Kabels nach
der Erfindung ermöglicht eine relativ einfache Herstellung des Kabels und aus diesem
gewickelte Spulen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 Schnitt eines auf einem
Trägerband aufgelöteten Supraleiterdrahtes mit Distanzdrähten; Fig. 2 Schnitt eines
supraleitenden Kabels mit Trägerband und bandförmiger Beilage; Fig. 3 Ansicht eines
supraleitenden Kabels mit auf einem Trägerband verseilten Supraleiterdrähten; Fig.
4 Vereinfachter Schnitt einer Poloidalspule; Fig. 5 Schnitt eines supraleitenden
Kabels in einem Rechteckrohr; Fig. 6 Schnitt eines supraleitenden Kabels mit einer
bandförmigen Beilage mit Stegen.
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Der prinzipielle Aufbau eines Supraleiterdrahtes 1 und dessen Anordnung
auf einem Trägerband 2 aus unmagnetischem Stahl ist in Fig. 1 als vereinfachtes
Schnittbild dargestellt. Der kryogen vollstabilisierte Supraleiterdraht 1 hat eine
Stromtragfähigkeit von einigen 100 A beim maximalen Feld auf der inneren Lage der
Toruswicklung. Er besteht aus einem zentralen Kern in Form eines Bündels supraleitender
Filamente, die in eine normalleitende Matrix aus Kupfer eingebettet sind und den
Filamentdraht 3 bilden, der in einen Mantel 4 aus Normalmetall eingeschlossen ist.
Der Mantel 4 kann, wie in der linken Bildhälfte dargestellt, aus massivem Kupfer
bestehen oder, wie in der rechten Bildhälfte gezeigt, aus einem ersten Kupfermantel
5 und einem zweiten Kupfermantel aus Einzeldrähten 6. Dazu werden Kupferdrähte um
den Filamentdraht 3 verseilt, mit einem gutleitenden Lot 7 (z.B. Sn oder Pb-Zn)
verlötet und auf den endgültigen Viereckquerschnitt gewalzt. Die sich radial ausbildenden
Lotschichten wirken als Barrieren für azimutale Koppelströme, ohne die Wärmeleitung
und damit die kryogene Stabilisierung zu verschlechtern.
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Um Bewegungen der Supraleiterdrähte 1 auf jeden Fall zu verhindern,
sind diese auf dem Trägerband 2 durch Kleben oder Löten fixiert.
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Durch Verwendung eines Lotes mit hohem spezifischen Widerstand, wie
z.B. Ag-Sn-Lot, können ungünstige Auswirkungen auf die Gesamtverluste des supraleitenden
Kabels ausgeschlossen werden.
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Zwischen den Supraleiterdrähten 1 sind Kühlkanäle 8 gebildet, so daß
ein flüssiges Kilhlmittel, wie z.B. Helium einen wesentlich größeren Teil der Oberfläche
der Supraleiterdrähte 1 benetzt.
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Der Abstand der Supraleiterdrähte 1 wird bestimmt durch mitverseilte
Abstandsdrähte 9 aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 0,5 mm, die ebenfalls
mit dem Trägerband 2 und mit den benachbarten Supraleiterdrähten 1 verlötet sind.
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Der Supraleiterdraht 1 ist als Bauelement für supraleitende Kabel
unterschiedlicher Stromtragfähigkeit einsetzbar, die sich nur durch die Anzahl der
Supraleiterdrähte unterscheiden.
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Der Aufbau des supraleitenden Kabels nach der Erfindung ist in Fig.
2 als Schnittbild dargestellt. Das Trägerband 2 besteht hier aus einem Rohr aus
unmagnetischem Stahl, das durch Wälzen bandförmig verformt wurde und dessen Innenseite
durch ein Isoliermaterial 10 wie z.B. Isolierlack, Metalloxydpulver oder Isolierfolie
elektrisch isoliert sind. Dadurch werden verlusterzeugende Koppelströme, die die
senkrecht zum Supraleiterkabel stehende Komponente eines gepulsten Feldes quer durch
das Trägerband 2 treiben würde, wesentlich herabgesetzt und damit auch die Wirbelstromverluste.
Das Trägerband 2 kann auch aus zwei oder mehreren Bändern aus unmagnetischem Stahl
bestehen, die durch Punktschweißen miteinander verbunden und durch Zwischenschichten
aus einem Isoliermaterial elektrisch isoliert sind. Es ist auch möglich, das Trägerband
aus einem Band aus unmagnetischem Stahl zu falten und die gefalteten Schenkel voneinander
elektrisch zu isolieren. Zur Herabsetzung der Verluste wird für das Trägerband ein
Werkstoff möglichst geringer elektrischer Leitfähigkeit verwendet. Diese Forderung
wird in besonderem Maße erfüllt durch ein faserverstärktes Kunststoffband. Hierbei
kann die isolierende Zwischenschicht entfallen.
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Auf dem Trägerband 2 sind durch Abstandsdrähte 9 distanzierte Supraleiterdrähte
1 verseilt und verlötet. Mitverseilt sind auch Abstandshalter 11 mit rechteckigem
Querschnitt aus unmagnetischem Stahl-oder Kunststoff. Diese übertragen die an den
Supraleiterdrähten 1 auftretenden radialen und azimutalen Kräfte auf die kräfteaufnehmende
Struktur der Wicklung die aus mitgewickelten unmagnetischen Stahlbändern 12 zum
Aufnehmen der magnetischen Reifenkräfte und die Wicklung seitlich begrenzenden Platten
13 besteht, die auf der dem supraleitenden Kabel zugewandten Seite mit einer Isolierschicht
14 versehen sind. Jeweils zwei Abstandshalter 11 begrenzen mit einem Stahlband 12
einen von mehreren Kühlkanälen 15 zum Durchleiten von flüssigem Helium.
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In Fig. 3 ist die Ansicht eines supraleitenden Kabels nach der Erfindung
dargestellt. Auf einem Trägerband 2 sind in einlagiger Anordnung Supraleiterdrähte
1 und Abstandshalter 11 in einem durch Abstandsdrähte 9 vorbestimmten Abstand verseilt
und mit dem Trägerband 2 verlötet. Durch das Verseilen ist jeder Supraleiterdraht
1, jeder Abstandsdrat 9 und jeder Abstandshalter 11 eine vorbestimmte halbe Verseillänge
LS/2 alternierend auf der einen und auf der anderen Seite des Trägerbandes 2 geführt.
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Ein vereinfachter Schnitt durch eine mit dem supraleitenden Kabel
nach der Erfindung gewickelte Poloidalspule ist in Fig. 4 dargestellt. Auf einem
Rohr 16 sind scheibenförmige Platten 13 zum seitlichen Begrenzen der Wicklung angeordnet.
Zwischen je zwei Platten 13, deren Oberflächen mit einer Isolierschicht 14 versehen
sind, ist das supraleitende Kabel 1, 2, 9, 10, 11 gemeinsam mit einem Stahlband
12 zu einer Spule gewickelt.
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Die Anordnung des supraleitenden Kabels 1, 2, 9, 10, 11 in einem die
Magnetkräfte aufzunehmenden Rechteckrohr 17 zeigt Fig. 5.
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Bei dieser Anordnung sind die Supraleiterdrähte 1 vollständig abgeschlossen
und die Kühlkanäle 15 in das Rechteckrohr 17 integriert, das aus einem unmagnetischen
Stahl besteht. Das Rechteckrohr 17 ist mindestens an einer seiner Außenseiten mit
einer Isolierschicht 18 ausgerüstet.
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Anstelle des beim Verarbeiten des supraleitenden Kabels zu Spulen
mitgewickelte Stahlbandes 12 kann auch eine bandförmige Beilage 19 verwendet werden,
die an ihrer den Supraleiterdrähten 1 zugewandten Seite wie in Fig. 6 dargestellt,
Stege 20 besitzt, die in Längsrichtung des Bandes angeordnet sind und auf den Supraleiterdrähten
1 liegen. Durch die Stege 20 werden Kühlkanäle 21 gebildet, die miteinander verbunden
sind. Die ebene Seite der bandförmigen Beilage 19 ist, wenn diese aus Stahl besteht
mit einem Isolierband 22 belegt.
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L e e r s e i t e