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Kabel für einen supraleitenden
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Magneten
Kabel für einen supraleitenden Magneten
Die Erfindung betrifft ein Kabel für einen supraleitenden Magneten, in dem mehrere
Leiter zusammengefaßt und getwistet angeordnet sind und das auf einen Spulenkern
aufgewickelt ist.
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Für den Bau von geplanten und schon im Bau befindlichen Tokaniak Versuchsanlagen
sowie von Fusionsreaktoren werden in Zukunft große supraleitende Magnete benötigt.
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Für diese Magnete müssen entsprechende, technisch verwendbare supraleitende
Kabel bereitgestellt werden.
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Bei bereits hergestellten und noch in Arbeit befindlichen SL-Magnetspulen
für verschiedene Versuchs anordnungen finden weltweit eine Vielzahl von Vierkantkabelleitern
mit unterschiedlichen Kühlmechanismen Anwendung, deren Geometrien vom Quadrat bis
zum flachen Rechteck reichen.
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Dabei spielt die Anordnung der verschiedenen Leiterkomponenten, wie
tieftemperaturbeständiger, antimagnetischer, rostfreier Stahl, Kupfer, Aluminium,
Lot, Isoliermaterial und SL-Leitermaterial genauso eine Rolle wie die Anordnung
der Kühl flächen zum Abkühlen des Leiters auf Supraleitungstemperatur und zur Ableitung
der ohm'schen-und induktiven Erwärmung.
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Drei supraleitende Werkstoffe haben sich bisher zur Fertigung von
Kabeln herauskristallisiert: NbTi, aus dem die meisten bekannten Spulen hergestellt
wurden, sowie Nb3Zn und Nb Al, wobei die Eigenschaften dieser 3 ischstrukturen wesentlich
die innere Geometrie des Leiters bestimmen.
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Leiter aus NbTi sind gut verarbeitbar und besitzen eine ausreichende
mechanische Festigkeit und Duktilität. Hingegen müssen sogenannte A 15 Materialien,
wie z.B. Nb3Zn, nach erfolgter mechanischer Herstellung, um ihre supraleitenden
Eigenschaften voll zu erreichen, thermisch bei ca. 700 C nachbehandelt werden, wobei
das Material seine Duktilität einbüßt und versprödet.
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Das SL-Leitermaterial muß in den Kabeln, um die Magnetkräfte aufnehmen
zu können, mit mechanisch- und elektrisch stabilisierenden Strukturwerkstoffen verbunden
werden, was in den meisten Fällen durch Verlöten geschieht. Einerseits ist es nicht
immer problemlos, die verschiedenen Werkstoffe, wie z.B. rostfreien Stahl oder Aluminium,
mit Kupfer oder Bronze in größeren Kabellängen fehlerlos zu verbinden und die Flußmittel
zu entfernen. Andererseits sollen Querschnitte für genügend Heliumdurchfluß zur
Kühlung freigehalten werden.
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Bei A 15 Kabeln müssen die Supraleiter möglichst nahe der Biegeachse
des Kabels angeordnet werden, damit beim Wickeln der Magnetspulen die Dehnung im
Leiter möglichst 0,2 % nicht überschreitet, was allgemein sehr flache Kabel bedingt
und Probleme bei der Verkabelung aufwirft und dadurch die Kühlmöglichkeiten einschränkt.
Die Lötverbindungen müssen den Reaktionstemperaturen von < 700 C standhalten,
was den Einsatz von speziellen Loten erfordert. Elektrische Isoliermaterialien können
im Kabel selbst nicht vorgesehen werden, da die Lot- und Reaktionstemperaturen die
zulässigen Werte der Isolationen überschreiten.
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Die Kabel werden, im allgemeinen, zu Doppelpancakes verwickelt, in
denen die einzelnen Windungen untereinander verklebt werden, wobei der Klebverbund
mit faserarmierten Epoxidharzen gleichzeitig als elektrische Isolation dient. Der
Klebverbund kann die in der Spule auftretenden Magnetkräfte nicht voll kompensieren,
was bedeutet, daß die Wickelpakete in antimagnetische, tieftemperaturbeständige
Metallgehäuse kraftschlüssig eingebaut werden müssen. Bei den enormen Magnetkräften,
die in Fusionsreaktorspulen aufzutreten pflegen, führt das zu beachtlichen Gehäusewanddicken,
was wiederum herstellungs- und schweißtechnische Probleme aufwirft und sich entsprechend
in den Kosten niederschlägt.
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Bei dieser Bauart muß das flüssige Helium durch die Kabel gepumpt
werden, wobei entsprechend der Kabellänge und des freien Kühlkanalquerschnittes
beachtliche Pumpleistungen zu erbringen sind.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Kabel
der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß es der technischen Realisierbarkeit
von großen supraleitenden Magnetspulen besser Rechnung trägt.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruches 1 beschrieben.
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Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen
der Erfindung wieder.
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Das Sechskantkabel gemäß der Erfindung unterscheidet sich demnach
von allen bekannten Kabeln durch seine Querschnittsform. Es kann direkt auf den
Spulenkörper gewickelt werden, wodurch sich in der Wicklung eine
hohe
Packungsdichte erreichen läßt. Durch Änderung der Schlüsselweite am äußeren Sechskantmantel
bleibt die Grundform des Kabels stets erhalten. Durch Änderung der Schlüsselweite
des Sechskant-Hohlkernes im Kabel kann das Verhältnis der Kühlquerschnitte zu denen
des Kupfers und Supraleiters variiert werden, ohne die äußere Form zu ändern.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
mittels der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.
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Ein mögliches Kabel 1 ist im Schnitt in Fig. 1 dargestellt. Es besitzt
einen Kabelmantel 2, dessen äußerer Querschnitt einen Hexaeder bildet. Er besteht
aus einem stabilen Material, das die in Magneten auftretenden Kräfte aufnehmen kann.
Der innere Querschnitt des Kabelmantels 2 ist entweder kreisförmig oder, wie dargestellt,
ebenfalls hexagonal. Koaxial zum Kabelmantel 2 verläuft ein Kabelkern 3, dessen
äußerer Querschnitt je nach Ausbildung der Innenfläche des Kabelmantels 2 kreisförmig
oder hexagonal ist. Der Kabelkern 3 kann hohl sein oder ganz entfallen, wenn der
Innenraum des Kabels 1 vollständig mit Leitern 4 ausgefüllt werden soll. Im vorliegenden
Fall sind sechs Leiter 4 im Zwischenraum zwischen Kabelmantel 2 und Kabelkern 3
getwistet auf dem Kabelkern 3 angeordnet.
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Die Supraleiter 4 im Kabel 1 können zur Innenfläche des Kabelmantels
2 hin mit hochwertigen Isolierfolien 5 (z.B.
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Polyimidfolie) elektrisch isoliert werden. Diese erlaubt, daß die
Außenhülle des Kabels 1, im Wickelverbund, entsprechend dem mechanischen Bedarf
durch geeignete Schweißverfahren windungsweise verbunden werden kann.
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Die Supraleiter 4 sind über dem Hohl- oder Kabelkern 3 mit einer definierten
Steigung verseilt, so daß ein ständiger Wechsel der Positionen im Kabel 1 stattfindet.
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Die Supraleiter 4 sind nicht mit dem Kern 3 verlötet.
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Ihr Abstand zueinander wird durch aus der Oberfläche des Kabelkerns
3 herausgedrückte Zungen 6 (siehe Fig. 2 und 3) entsprechender Breite gewährleistet.
Diese Zungen 6 bewirken eine zusätzliche Turbulenz eines Kühlmittels, z.B. Helium,
das in den Kanälen zwischen den Leitern 4 und im Kabelkern 3 fließt, und ermöglichen
durch die entstandenen öffnungen 7 einen Heliumaustausch über den Zentralkanal (im
Kabelkern 3).
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Die runde Querschnittsform der Einzelleiter 4 ist fertigungstechnisch
einfach und gewährleistet im Kabel 1 eine nahezu völlige Benetzung der Oberflächen
mit Helium.
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Aus der Verseilung über dem Sechskantinnenkern 3 folgt eine gleichmäßige
Anlage der Leiter 4 an allen Seiten der Innenfläche des Kabelmantels 2, wobei jeweils
ein Bereich in den Ecken unberührt bleibt, was die Möglichkeit schafft, die Hüllen
(Kabelmantel bzw. -kern) in dieser Zone zu verbinden, oder, nach Bedarf Ein- sowie
Austrittsöffnungen 8 (siehe Fig. 4) für Helium zu schaffen. Für A 15 Materialien
ergibt sich dadurch der Vorteil, daß die unreagierten, noch duktilen, um den Kern
geseilten Leiter 4 sich ohne Außenhülle und Isolation wärmebehandeln lassen können,
bevor sie isoliert und in den Außenmantel 2 eingeschweißt werden.
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Bei dieser Kabelart müssen die A 15 Leiter 4 nicht unbedingt nahe
der Biegeachse des Kabels liegen, da keine starre, mechanische Verbindung durch
Lot vorliegt. Jeder Einzelleiter 4 wechselt in einer Biegezone beim Verwickeln des
Kabels 1 ständig von der gestreckten in die gestaucht Zone und gleitet in die Nullage.
Für die Dehnung des Einzelleiters 4 ist dabei nur sein Radius r im Verhältnis zum
Biegeradius R des Kabels 1 maßgebend, wobei E = R 0,2 angestrebt wird. Die Außenhülle
bzw. der Kabelmantel 2 dient gleichzeitig als Stahlarmierung in der Spule.
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Das Kabel 1 bietet sich vornehmlich für die Herstellung von D-förmigen
Toroidalfeldspulen 10 (s. Fig. 5) für z.B. Tokamakanlagen an. Die Spulen 10 können
in einer Art Bad-Zwangskühlungsspule ausgeführt werden. Die Kabel 1 werden hierzu
in einem oberen und unteren Bereich 11 und 12 des D mit Abstand zueinander verwickelt,
wobei die Kabelhülle 2 jeweils oben bzw. unten öffnungen 8 (s. Fig. 4) für den Heliumein-
und austritt erhält. In den übrigen Bereichen der Spule 10, d.h. im geraden Rückenteil
und im Bauche des D, wird das Kabel 1 ohne Zwischenraum eingebracht. Das flüssige
Helium tritt unten (12) in die öffnungen 8 des Kabels 1 ein, wird in dem geschlossenen
Bereich des Hohlkabels nach oben geführt und strömt im oberen Badbereich 11 wieder
aus.
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Das Druckgefälle in der Spule 10 kann niedrig gehalten werden, da
ein hinreichend großer Kühlkanalquerschnitt in dem Kabel 1 eingehalten werden kann
und sich bei entsprechender Auslegung von selbst eine Konvektionsströmung einstellt.
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Die in den Spulen 10 durch das Magnetfeld erzeugten Kräfte werden
durch eine entsprechend bemessene Wanddicke des Kabelmantels 2 und durch gezieltes
Verschweißen desselben in den einzelnen Windungen und Lagen aufgefangen. Aufgrund
dessen sind nur relativ dünne Gehäusewanddicken erforderlich, was die Handhabung
bei der Herstellung, Montage, dem Transport und einer eventuellen Demontage positiv
beeinflußt. Die auf die Spulen 10 wirkenden Kräfte können im Spulenverband noch
durch eine eigene weitgehend stationäre Haltestruktur aufgefangen werden.
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