EA043990B1

EA043990B1 - DETECTION OF SUPERCONDUCTIVITY FAILURE BASED ON STRAIN OR MAGNETIC FIELD

Info

Publication number: EA043990B1
Application number: EA202291452
Authority: EA
Inventors: Роберт Слэйд; Род Бэйтман
Original assignee: Токемек Энерджи Лтд
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2023-07-12

Description

Область изобретенияField of invention

Изобретение относится к обнаружению нарушения сверхпроводимости в магнитных системах с высокотемпературным сверхпроводником, в частности к способам обнаружения нарушения сверхпроводимости, и к магнитным системам, выполненным с возможностью реализовывать эти способы.The invention relates to detection of superconductivity failure in magnetic systems with a high-temperature superconductor, in particular to methods for detecting superconductivity failure, and to magnetic systems configured to implement these methods.

Предпосылки изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION

Проблема производства термоядерной энергии является чрезвычайно сложной. Предложены многие альтернативные устройства помимо токамаков, хотя ни одно из них еще не дало каких-либо результатов, сравнимых с показываемыми наилучшими эксплуатируемыми в настоящее время токамаками, такими как JET.The problem of producing thermonuclear energy is extremely complex. Many alternative devices other than tokamaks have been proposed, although none have yet produced any results comparable to those shown by the best currently operated tokamaks, such as the JET.

Мировые исследования термоядерного синтеза вошли в новую фазу после начала строительства Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER) - крупнейшего и самого дорогого (более 15 млрд евро) токамака из когда-либо построенных. Успешный курс к промышленному термоядерному реактору требует стабильной работы с длительным импульсом в сочетании с высокой эффективностью, требуемой для того, чтобы сделать производство электроэнергии экономически выгодным. Эти три условия особенно трудно достижимы одновременно, а запланированная программа потребует много лет экспериментальных исследований на ITER и других установках термоядерного синтеза, а также теоретических и технологических исследований. В широком смысле ожидается, что коммерческий термоядерный реактор, разработанный при следовании этим курсом, не будет построен до 2050 года.Global fusion research has entered a new phase with the start of construction of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), the largest and most expensive (over €15 billion) tokamak ever built. A successful path to an industrial fusion reactor requires stable, long-pulse operation coupled with the high efficiency required to make power generation economical. These three conditions are especially difficult to achieve simultaneously, and the planned program will require many years of experimental research at ITER and other fusion facilities, as well as theoretical and technological research. Broadly speaking, a commercial fusion reactor developed along this path is not expected to be built until 2050.

Чтобы получать реакции термоядерного синтеза, требуемые для экономически выгодной выработки электроэнергии (т.е. получения гораздо большей отдаваемой мощности, чем подводимая мощность), традиционный токамак должен быть огромным (примером чего является ITER), так что время удержания энергии (которое приблизительно пропорционально объему плазмы) может быть достаточно большим с тем, чтобы плазма стала достаточно горячей для возникновения термоядерного синтеза.To produce the fusion reactions required to generate electricity economically (i.e., produce much more output power than input power), a traditional tokamak must be huge (of which ITER is an example), so that the energy retention time (which is approximately proportional to the volume plasma) can be large enough for the plasma to become hot enough for fusion to occur.

В WO 2013/030554 описан альтернативный подход, предусматривающий применение компактного сферического токамака для использования в качестве источника нейтронов или источника энергии. Форма плазмы с низким аспектным отношением в сферическом токамаке увеличивает время удержания частиц и обеспечивает выработку полезной электрической мощности в значительно меньшей установке. Однако необходима центральная колонна небольшого диаметра, что вызывает трудности при проектировании удерживающего плазму магнита. Перспективной технологией для таких магнитов являются катушки возбуждения с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП).WO 2013/030554 describes an alternative approach using a compact spherical tokamak for use as a neutron source or energy source. The low aspect ratio form of plasma in a spherical tokamak increases particle confinement time and produces useful electrical power in a much smaller facility. However, a small diameter central column is required, which causes difficulties in designing the plasma-confining magnet. A promising technology for such magnets is field coils with high-temperature superconductors (HTSC).

Сверхпроводящие материалы обычно делятся на высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) и низкотемпературные сверхпроводники (НТСП). НТСП-материалы, такие как Nb и NbTi, являются металлами или сплавами металлов, сверхпроводимость которых может быть описана теорией БКШ (Бардина - Купера - Шриффера). Все низкотемпературные сверхпроводники имеют критическую температуру (температуру, выше которой материал не может быть сверхпроводящим даже в нулевом магнитном поле) ниже примерно 30 К. Поведение ВТСП-материала не описывается теорией БКШ, и такие материалы могут иметь критические температуры выше примерно 30 К (хотя следует отметить, что именно физические различия в составе и работе в режиме сверхпроводимости, а не критическая температура, определяют ВТСП- и НТСП-материал). Наиболее часто используемыми ВТСП являются купратные сверхпроводники - керамики на основе купратов (соединений, содержащих группу оксида меди), такие как BSCCO, или ReBCO (где Re - это редкоземельный элемент, обычно Y или Gd). Другие ВТСП-материалы включают пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборат магния (MgB₂).Superconducting materials are generally divided into high temperature superconductors (HTSC) and low temperature superconductors (LTSC). LTSC materials such as Nb and NbTi are metals or metal alloys whose superconductivity can be described by the BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) theory. All low temperature superconductors have a critical temperature (the temperature above which the material cannot be superconducting even in zero magnetic field) below about 30 K. The behavior of HTSC material is not described by BCS theory, and such materials may have critical temperatures above about 30 K (although it should note that it is the physical differences in composition and operation in the superconductivity regime, and not the critical temperature, that determine the HTSC and LTSC material). The most commonly used HTSCs are cuprate superconductors - ceramics based on cuprates (compounds containing a copper oxide group) such as BSCCO, or ReBCO (where Re is a rare earth element, usually Y or Gd). Other HTSC materials include iron pnictides (eg, FeAs and FeSe) and magnesium diborate (MgB ₂ ).

ReBCO типично производят в виде лент, со структурой, показанной на фиг. 1. Такая лента 100, как правило, имеет толщину приблизительно 100 микрон и включает в себя подложку 101 (обычно из электрополированного хастелоя толщиной приблизительно 50 микрон), на которую ионно-лучевым осаждением (IBAD), магнетронным распылением или другим подходящим методом нанесен ряд буферных слоев, известных как буферный пакет 102, толщиной приблизительно 0,2 микрона. Поверх буферного пакета находится эпитаксиальный слой 103 ВТСП-ReBCO (нанесенный методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) или другим подходящим методом), в типичных случаях имеющий толщину 1 микрон. На слой ВТСП распылением или другим подходящим методом нанесен 1-2-микронный слой 104 серебра, а затем на ленту электролитическим осаждением или другим подходящим методом нанесен слой 105 медного стабилизатора, который часто полностью инкапсулирует ленту.ReBCO is typically produced in the form of tapes, with the structure shown in FIG. 1. Such tape 100 typically has a thickness of approximately 100 microns and includes a substrate 101 (typically of approximately 50 microns thick electropolished Hastelloy) onto which a number of buffers are deposited by ion beam deposition (IBAD), magnetron sputtering, or other suitable method. layers known as buffer pack 102, approximately 0.2 microns thick. On top of the buffer stack is an epitaxial layer 103 of HTSC-ReBCO (deposited by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) or other suitable method), typically having a thickness of 1 micron. A 1-2 micron layer 104 of silver is deposited onto the HTS layer by sputtering or other suitable method, and then a copper stabilizer layer 105 is deposited onto the tape by electrolytic deposition or other suitable method, which often completely encapsulates the tape.

Подложка 101 обеспечивает механическую основу, которая может подаваться по технологической линии и позволяет выращивать последующие слои. Буферный пакет 102 требуется, чтобы обеспечить биаксиально текстурированный кристаллический шаблон, на котором будет расти слой ВТСП, и предотвратить химическую диффузию элементов из подложки в ВТСП, которая нарушает его сверхпроводящие свойства. Слой 104 серебра требуется, чтобы обеспечивать границу раздела с низким сопротивлением от ReBCO к слою стабилизатора, а слой 105 стабилизатора обеспечиваетThe substrate 101 provides a mechanical support that can be conveyed through the production line and allows subsequent layers to be grown. The buffer stack 102 is required to provide a biaxially textured crystal template on which the HTS layer will grow, and to prevent chemical diffusion of elements from the substrate into the HTS, which would compromise its superconducting properties. The silver layer 104 is required to provide a low resistance interface from the ReBCO to the stabilizer layer, and the stabilizer layer 105 provides

- 1 043990 альтернативный путь тока в случае, когда какая-либо часть ReBCO перестает быть сверхпроводящей (переходит в нормальное состояние).- 1 043990 alternative current path in the event that any part of the ReBCO ceases to be superconducting (turns into a normal state).

Кроме того, можно изготавливать отслоенную ВТСП-ленту, которая не имеет подложки и буферного пакета, а вместо этого имеет слои серебра на обеих сторонах слоя ВТСП. Лента, которая имеет подложку, будет называться ВТСП-лентой на подложке.In addition, it is possible to produce exfoliated HTS tape, which does not have a substrate and a buffer stack, but instead has layers of silver on both sides of the HTS layer. A tape that has a substrate will be called a HTSC tape on a substrate.

ВТСП-ленты могут быть скомпонованы в ВТСП-кабели. ВТСП-кабель содержит одну или более ВТСП-лент, которые соединены вдоль своей длины посредством проводящего материала (обычно меди). ВТСП-ленты могут быть уложены одна на другой (т.е. расположены так, что слои ВТСП параллельны), или возможна некая другая компоновка лент, которая может меняться по длине кабеля. Примечательными особыми случаями ВТСП-кабелей являются одиночные ВТСП-ленты и ВТСП-пары. ВТСП-пары содержат пару ВТСП-лент, расположенных так, что слои ВТСП параллельны. Когда используется лента на подложке, возможны ВТСП-пары типа-0 (с обращенными друг к другу слоями ВТСП), типа-1 (со слоем ВТСП одной ленты, обращенным к подложке другой) или типа-2 (с обращенными друг к другу подложками). Кабели, содержащие более 2 лент, могут предусматривать размещение некоторых или всех лент в ВТСП-парах. Уложенные друг на друга ВТСП-ленты могут иметь различные компоновки ВТСП-пар, чаще всего либо стопку пар типа-1, либо стопку пар типа-0 и (или, что эквивалентно, пар типа-2). ВТСП-кабели могут содержать смесь из ленты на подложке и отслоенной ленты.HTS tapes can be assembled into HTS cables. An HTS cable contains one or more HTS tapes that are connected along their length by a conductive material (usually copper). HTSC tapes can be stacked one on top of the other (i.e., arranged so that the HTSC layers are parallel), or some other arrangement of tapes is possible, which can vary along the length of the cable. Notable special cases of HTSC cables are single HTSC tapes and HTSC pairs. HTSC pairs contain a pair of HTSC strips arranged so that the HTSC layers are parallel. When tape on a substrate is used, type-0 (with the HTSC layers facing each other), type-1 (with the HTSC layer of one tape facing the substrate of the other) or type-2 (with the substrates facing each other) HTSC pairs are possible. . Cables containing more than 2 tapes may require placement of some or all of the tapes in HTSC pairs. Stacked HTSC tapes can have different arrangements of HTSC pairs, most often either a stack of type-1 pairs or a stack of type-0 and (or, equivalently, type-2 pairs). HTS cables may contain a mixture of backed tape and peeled tape.

Одним из распространенных типов ВТСП-катушек является дисковая катушка, в которой ВТСПкабели 201 намотаны с образованием плоской катушки, подобно катушке с лентой. Дисковые катушки могут быть выполнены с внутренним периметром, который имеет любую 2-мерную форму. Часто дисковые катушки поставляют в виде двойной дисковой катушки, которая содержит две дисковые катушки, намотанные в противоположном направлении, с изоляцией между дисковыми катушками и с внутренними выводами, соединенными вместе. Это означает, что напряжение должно подаваться только к внешним выводам, которые обычно более доступны, чтобы возбуждать ток через витки катушки и генерировать магнитное поле.One common type of HTS coil is the disk coil, in which HTS cables 201 are wound to form a flat coil, similar to a reel of tape. Disc coils can be made with an internal perimeter that has any 2-dimensional shape. Often disc coils are supplied as a double disc coil, which contains two disc coils wound in opposite directions, with insulation between the disc coils and with the internal leads connected together. This means that voltage must be applied only to the external terminals, which are usually more accessible, to drive current through the turns of the coil and generate a magnetic field.

ВТСП-катушки могут быть изолированными - имеющими электроизолирующий материал между витками катушки, или неизолированными, когда витки катушки электрически соединены радиально, а также вдоль кабелей (например, посредством соединения слоев медного стабилизатора кабелей пайкой или за счет непосредственного контакта). Кроме того, катушки могут быть частично изолированными, т.е. имеющими слой между катушками с сопротивлением, промежуточным между используемыми для изолированной катушки изоляторами или металлами, которые соединяют кабели неизолированной катушки. Например, частичная изоляция может представлять собой более толстый слой металла с относительно высоким сопротивлением, или полупроводник, или композитный слой, выполненный так, чтобы давать относительно высокое сопротивление. В качестве альтернативы, частично изолированные катушки могут быть сформированы путем обеспечения других радиальных путей тока, выполненных из проводящего материала, например, на боковой стороне катушки возбуждения.HTS coils can be insulated - having electrically insulating material between the turns of the coil, or non-insulated, when the turns of the coil are electrically connected radially, as well as along the cables (for example, by connecting layers of copper cable stabilizer by soldering or through direct contact). In addition, the coils can be partially insulated, i.e. having a layer between the coils with a resistance intermediate between the insulators or metals used for the insulated coil that connect the cables of the non-insulated coil. For example, the partial insulation may be a thicker layer of metal with a relatively high resistance, or a semiconductor, or a composite layer designed to provide a relatively high resistance. Alternatively, partially insulated coils can be formed by providing other radial current paths made of conductive material, for example, on the side of the field coil.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Согласно первому аспекту предусмотрен способ обнаружения предусловий нарушения сверхпроводимости в сверхпроводящем магните, содержащем ВТСП-катушку возбуждения. Катушка возбуждения содержит множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор; и проводящий материал, соединяющий витки так, что ток может распределяться радиально между витками через проводящий материал. Отслеживают деформацию ВТСП-катушки возбуждения и/или опорных конструкций ВТСП-катушки возбуждения. Отслеживаемую деформацию сравнивают с ожидаемой деформацией во время нормальной работы магнита. В ответ на это сравнение определяют, находится ли катушка возбуждения в предусловиях нарушения сверхпроводимости.According to a first aspect, there is provided a method for detecting preconditions for superconductivity failure in a superconducting magnet comprising an HTSC field coil. The excitation coil contains a plurality of turns containing HTSC material and a metal stabilizer; and a conductive material connecting the turns so that current can be distributed radially between the turns through the conductive material. The deformation of the HTSC excitation coil and/or the supporting structures of the HTSC excitation coil is monitored. The monitored deformation is compared to the expected deformation during normal operation of the magnet. In response to this comparison, it is determined whether the field coil is in preconditions for superconductivity failure.

Согласно второму аспекту предусмотрен способ обнаружения предусловий нарушения сверхпроводимости в сверхпроводящем магните, содержащем ВТСП-катушку возбуждения. Катушка возбуждения содержит множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор; и проводящий материал, соединяющий витки так, что ток может распределяться радиально между витками через проводящий материал. Отслеживают магнитное поле ВТСП-катушки возбуждения. Отслеживаемое магнитное поле сравнивают с ожидаемым магнитным полем во время нормальной работы магнита. В ответ на упомянутое сравнение определяют, находится ли катушка возбуждения в предусловиях нарушения сверхпроводимости.According to a second aspect, there is provided a method for detecting preconditions for superconductivity failure in a superconducting magnet comprising an HTSC field coil. The excitation coil contains a plurality of turns containing HTSC material and a metal stabilizer; and a conductive material connecting the turns so that current can be distributed radially between the turns through the conductive material. The magnetic field of the HTSC excitation coil is monitored. The monitored magnetic field is compared to the expected magnetic field during normal operation of the magnet. In response to the above comparison, it is determined whether the field coil is under superconductivity failure preconditions.

Согласно третьему аспекту предусмотрена магнитная система с высокотемпературным сверхпроводником, ВТСП, содержащая ВТСП-катушку возбуждения. ВТСП-катушка возбуждения содержит множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор; и проводящий материал, соединяющий витки так, что ток может распределяться радиально между витками через проводящий материал. Магнитная система с ВТСП дополнительно содержит систему защиты от нарушения сверхпроводимости и один или более тензометрических датчиков, расположенных на ВТСПкатушке возбуждения или на конструктивной опоре ВТСП-катушки возбуждения. Система защиты от нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью выполнять отслеживание результатовAccording to a third aspect, a high temperature superconductor, HTS, magnetic system is provided, including an HTS field coil. The HTSC excitation coil contains a plurality of turns containing HTSC material and a metal stabilizer; and a conductive material connecting the turns so that current can be distributed radially between the turns through the conductive material. The magnetic system with HTSC additionally contains a protection system against violation of superconductivity and one or more strain gauge sensors located on the HTSC excitation coil or on the structural support of the HTSC excitation coil. The superconductivity protection system is designed to monitor results

- 2 043990 измерения деформации упомянутым одним или более тензометрическими датчиками; сравнивать результаты измерения деформации с ожидаемой деформацией во время нормальной работы магнита; и в ответ на упомянутое сравнение определять, находится ли катушка возбуждения в предусловиях нарушения сверхпроводимости.- 2 043990 measuring strain with said one or more strain gauges; compare the results of strain measurements with the expected strain during normal operation of the magnet; and in response to said comparison, determine whether the field coil is in preconditions for superconductivity failure.

Согласно четвертому аспекту предусмотрена магнитная система с высокотемпературным сверхпроводником, ВТСП, содержащая ВТСП-катушку возбуждения. ВТСП-катушка возбуждения содержит множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор; и проводящий материал, соединяющий витки так, что ток может распределяться радиально между витками через проводящий материал. Магнитная система с ВТСП дополнительно содержит систему защиты от нарушения сверхпроводимости и один или более датчиков магнитного поля. Система защиты от нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью выполнять отслеживание результатов измерения магнитного поля упомянутыми одним или более датчиками магнитного поля; сравнивать результаты изменения магнитного поля с ожидаемым магнитным полем во время нормальной работы магнита; и в ответ на упомянутое сравнение определять, находится ли катушка возбуждения в предусловиях нарушения сверхпроводимости.According to a fourth aspect, a high temperature superconductor, HTS, magnetic system is provided, including an HTS field coil. The HTSC excitation coil contains a plurality of turns containing HTSC material and a metal stabilizer; and a conductive material connecting the turns so that current can be distributed radially between the turns through the conductive material. The magnetic system with HTSC additionally contains a system for protecting against violation of superconductivity and one or more magnetic field sensors. The superconductivity disturbance protection system is configured to monitor magnetic field measurement results by said one or more magnetic field sensors; compare the results of changes in the magnetic field with the expected magnetic field during normal operation of the magnet; and in response to said comparison, determine whether the field coil is in preconditions for superconductivity failure.

Согласно пятому аспекту предусмотрен токамак, содержащий магнитную систему с ВТСП согласно третьему или четвертому аспекту, при этом катушка тороидального поля или катушка полоидального поля токамака содержит упомянутую ВТСП-катушку возбуждения.According to a fifth aspect, there is provided a tokamak comprising a magnetic system with an HTSC according to the third or fourth aspect, wherein a toroidal field coil or a poloidal field coil of the tokamak comprises said HTSC field coil.

Краткое описание фигурBrief description of the figures

Фиг. 1 является схематичной иллюстрацией ВТСП-ленты.Fig. 1 is a schematic illustration of an HTSC tape.

Фиг. 2 является схематичной иллюстрацией системы сверхпроводящего магнита.Fig. 2 is a schematic illustration of a superconducting magnet system.

Фиг. 3 является схематичной иллюстрацией системы сверхпроводящего магнита, содержащей несколько катушек.Fig. 3 is a schematic illustration of a superconducting magnet system comprising multiple coils.

Подробное описание изобретенияDetailed Description of the Invention

Частично изолированные и неизолированные катушки, т.е. катушки, где существует (несверхпроводящий) токопроводящий путь между витками, который позволяет току протекать радиально между витками, в целом являются устойчивыми к нарушению сверхпроводимости (магнит становится несверхпроводящим во время работы) и к повреждению во время нарушения сверхпроводимости (поскольку это частично получается в результате дугового пробоя между витками в изолированной катушке). Однако было обнаружено, что значительное повреждение может получаться в результате нарушений сверхпроводимости в частично и неизолированных катушках вследствие больших сдвигов в магнитом поле и результирующей деформации, которая получается в результате переноса тока со спирального пути (т.е. в ВТСП катушки) на радиальный путь (т.е. напрямую через металлическое соединение или частичную изоляцию). Это особенно заметно в магнитных системах с множественными секциями катушек - например, в комплектах катушек тороидального поля (ТП) для токамаков. Если одна ветвь (также называемая обводом) катушки ТП подвергается нарушению сверхпроводимости, то результирующий магнитный дисбаланс может причинять значительное повреждение всему комплекту катушек ТП вследствие больших неуравновешенных сил.Partially insulated and non-insulated coils, i.e. coils where there is a (non-superconducting) current-carrying path between the turns that allows current to flow radially between the turns are generally resistant to failure of superconductivity (the magnet becomes non-superconducting during operation) and to damage during failure of superconductivity (as this results in part from arcing breakdown between turns in an insulated coil). However, it has been discovered that significant damage can result from superconductivity failures in partially and uninsulated coils due to large shifts in the magnetic field and the resulting strain that results from current transfer from the helical path (i.e. in the HTS coil) to the radial path ( i.e. directly through a metal connection or partial insulation). This is especially noticeable in magnetic systems with multiple sections of coils - for example, in sets of toroidal field coils (TF) for tokamaks. If one leg (also called a loop) of a TC coil becomes superconductive, the resulting magnetic imbalance can cause significant damage to the entire set of TC coils due to large unbalanced forces.

Хотя большие деструктивные сдвиги деформации и магнитного поля явно являются проблемой, приведенное ниже описание предлагает использовать меньшие сдвиги деформации и поля, происходящие во время начала нарушения сверхпроводимости вследствие распределения тока между витками, для обнаружения начинающегося нарушения сверхпроводимости и обеспечения достаточного предупреждения для того, чтобы безопасно постепенно снизить характеристики магнита и уменьшить или предотвратить повреждение, вызываемое нарушением сверхпроводимости. В общем, обнаружение нарушения сверхпроводимости подразумевает обнаружение предусловий нарушения сверхпроводимости, т.е. условий, которые вероятно вызывают нарушение сверхпроводимости, или признаков, таких как распределение тока между катушками или горячие пятна в катушках, которые указывают на то, что нарушение сверхпроводимости может скоро произойти.Although large destructive strain and magnetic field shifts are clearly a problem, the description below suggests using the smaller strain and field shifts occurring during the onset of superconductivity failure due to current distribution between turns to detect incipient superconductivity failure and provide sufficient warning to safely gradually reduce magnet performance and reduce or prevent damage caused by superconductivity failure. In general, the detection of superconductivity failure implies the detection of preconditions for superconductivity failure, i.e. conditions that are likely to cause superconductivity failure, or signs such as current distribution between coils or hot spots in coils that indicate that superconductivity failure may soon occur.

Обнаружение нарушения сверхпроводимости может выполняться посредством отслеживания (мониторинга) либо одного из, либо обоих из деформации в каждой катушке комплекта (и/или в соседних конструктивных элементах) или магнитного поля вблизи каждой катушки в комплекте. В общем примере предусловия нарушения сверхпроводимости могут быть просигнализированы, когда существует какое-либо отклонение (например, большее, чем точность измерения используемых тензометрических датчиков) от ожидаемых результатов измерения во время работы магнита. Альтернативно, предусловия нарушения сверхпроводимости могут быть просигнализированы, когда какое-либо такое отклонение больше порогового значения (например, на 1% больше ожидаемого результата измерения). Это было бы подходящим для системы, в которой потенциальные издержки большего числа ненужных отключений оправдывают себя за счет экономии потенциальных издержек неконтролируемого нарушения сверхпроводимости.Detection of superconductivity failure may be accomplished by monitoring either or both of the strain in each coil of the array (and/or adjacent structural members) or the magnetic field in the vicinity of each coil in the array. In a general example, superconductivity failure preconditions may be signaled when there is any deviation (eg, greater than the measurement accuracy of the strain gauges used) from the expected measurement results during operation of the magnet. Alternatively, superconductivity disturbance preconditions may be signaled when any such deviation is greater than a threshold value (eg, 1% greater than the expected measurement result). This would be appropriate for a system in which the potential cost of more unnecessary shutdowns is justified by saving the potential cost of uncontrolled superconductivity failure.

Альтернативно, система защиты от нарушения сверхпроводимости может быть выполнена с возможностью реагировать только на некоторые результаты измерения датчиками деформации и/или магнитного поля, например, на магнитное поле, перпендикулярное магнитному полю катушки во времяAlternatively, the superconductivity protection system may be configured to respond to only certain strain and/or magnetic field sensor measurements, such as a magnetic field perpendicular to the coil magnetic field during

- 3 043990 обычных операций (внеосевое поле), или на деформацию в неожиданном компоненте или неожиданном направлении (где неожиданный означает который не ожидался бы во время нормальной работы - т.е. может ожидаться в случае нарушения сверхпроводимости или предусловий нарушения сверхпроводимости).- 3 043990 normal operations (off-axis field), or for deformation in an unexpected component or unexpected direction (where unexpected means that would not be expected during normal operation - i.e. can be expected in the event of a superconductivity failure or preconditions for a superconductivity failure).

В многокатушечных системах обнаружение предусловий нарушения сверхпроводимости в одной катушке может быть основано на изменениях деформации в и возле другой катушки системы - причина этого состоит в том, что сдвиги в магнитном поле первой катушки вызовут сдвиги в балансе сил на других катушках в системе. Это применяется, если множественные катушки являются частью одного и того же магнита (например, отдельные ветви комплекта катушек ТП).In multi-coil systems, detection of superconductivity failure preconditions in one coil can be based on strain changes in and near another coil of the system - the reason for this is that shifts in the magnetic field of the first coil will cause shifts in the balance of forces on other coils in the system. This applies if multiple coils are part of the same magnet (for example, separate branches of a set of TC coils).

Суждение о деформации/поле во время нормальной работы может быть основано на мощности, подаваемой в настоящий момент к катушке - например, система защиты от нарушения сверхпроводимости может принимать в качестве входных данных подробности о подаваемом в каждую катушку токе, определять модель деформации и/или поля на основе этих токов (например, посредством обращения к справочной таблице или посредством вычисления в простой модели) и сравнивать показания датчиков деформации и/или поля с моделью деформации и/или поля. Как отмечено выше, предусловия нарушения сверхпроводимости могут быть просигнализированы (и привлечены процедуры предотвращения нарушения сверхпроводимости, такие как постепенное снижение характеристик магнита) либо при какого-либо значительном отклонении от этой модели, либо при отклонениях определенных типов - например, перпендикулярных ожидаемым полю/деформации.The strain/field judgment during normal operation may be based on the power currently supplied to the coil - for example, a superconductivity protection system may take as input details of the current supplied to each coil, determine the strain and/or field pattern based on these currents (for example, by reference to a lookup table or by calculation in a simple model) and compare the readings of the strain and/or field sensors with the strain and/or field model. As noted above, preconditions for superconductivity failure can be signaled (and failure prevention procedures, such as gradual reduction of magnet characteristics, invoked) either upon any significant deviation from this model, or upon deviations of certain types - for example, perpendicular to the expected field/strain.

В сбалансированной многокатушечной системе, т.е. такой системе, в которой картина деформации/картина силовых линий магнитного поля должна быть одинаковой для каждой катушки во время нормальной работы, используемые для сравнения ожидаемые деформация/магнитное поле во время нормальной работы могут быть основаны на измеренных деформации/магнитном поле других катушек - т.е. ожидаемой картиной деформации является то, что деформация на каждой катушке идентична в пределах диапазона точности тензодатчика. Конкретный характер отклонений деформации может указывать на предусловия нарушения сверхпроводимости - например, в том случае, когда равные и противоположные отклонения присутствуют на двух катушках с той и другой стороны катушки, с уменьшенными равными и противоположными отклонениями на следующих ближайших соседях.In a balanced multi-coil system, i.e. In such a system, in which the strain pattern/magnetic field line pattern must be the same for each coil during normal operation, the expected strain/magnetic field during normal operation used for comparison can be based on the measured strain/magnetic field of the other coils - i.e. e. the expected deformation pattern is that the deformation on each coil is identical within the accuracy range of the strain gauge. The particular pattern of strain excursions may indicate preconditions for superconductivity failure—for example, in the case where equal and opposite deflections are present on two coils on either side of the coil, with reduced equal and opposite deflections on the next nearest neighbors.

Аналогичные соображения применяются к системам, которые не являются полностью сбалансированными, но имеют симметрию - например, в том случае, когда многокатушечная система имеет два комплекта катушек, которые имеют зеркальную симметрию друг с другом, ожидаемые деформация/магнитное поле могут быть основаны на измеренных деформации/магнитном поле каждой катушки, с тем ожиданием, что картина деформации/картина силовых линий магнитного поля тоже должна иметь зеркальную симметрию.Similar considerations apply to systems that are not completely balanced but have symmetry - for example, in the case where a multi-coil system has two sets of coils that have mirror symmetry to each other, the expected strain/magnetic field can be based on the measured strain/ magnetic field of each coil, with the expectation that the deformation pattern/magnetic field line pattern should also have mirror symmetry.

В типичной катушке ТП небольшого сферического токамака (большой радиус плазмы приблизительно 1,5 м) ожидаемая деформация может составлять до 0,25% (2500 единиц микродеформации), а чувствительность тензометрических датчиков может быть лучше 0,01 единицы микродеформации. По сути, возможно очень точное определение с высоким разрешением деформации на магните.In a typical TC coil of a small spherical tokamak (large plasma radius of approximately 1.5 m), the expected strain can be up to 0.25% (2500 microstrain units), and the sensitivity of the strain gauges can be better than 0.01 microstrain units. Essentially, very precise, high-resolution determination of strain on a magnet is possible.

Фиг. 2 показывает примерную систему сверхпроводящего магнита, в схематичной форме. Такая магнитная система содержит:Fig. 2 shows an exemplary superconducting magnet system, in schematic form. Such a magnetic system contains:

ВТСП-катушку 201 возбуждения, имеющую опорные конструкции 202;HTS excitation coil 201 having support structures 202;

множество тензометрических датчиков 203 на ВТСП-катушке 201 возбуждения и опорных конструкциях 202;a plurality of strain gauges 203 on the HTS excitation coil 201 and support structures 202;

множество датчиков 204 магнитного поля, расположенных для отслеживания магнитного поля, создаваемого ВТСП-катушкой 201 возбуждения;a plurality of magnetic field sensors 204 arranged to monitor the magnetic field generated by the HTS drive coil 201;

систему 205 защиты от нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью:superconductivity protection system 205, configured to:

отслеживать результаты измерения от тензометрических датчиков и датчиков магнитного поля;monitor measurement results from strain gauges and magnetic field sensors;

сравнивать отслеживаемые результаты измерения с ожидаемым профилем деформации во время нормальной работы и ожидаемым профилем магнитного поля во время нормальной работы;compare the monitored measurement results with the expected strain profile during normal operation and the expected magnetic field profile during normal operation;

определять на основе этого сравнения, находится или нет катушка возбуждения в предусловиях нарушения сверхпроводимости.determine on the basis of this comparison whether or not the excitation coil is in the preconditions of superconductivity failure.

Фиг. 3 показывает многокатушечную магнитную систему, содержащую множество катушек 201, показанных на фиг. 2 (со связанными с ними опорными конструкциями 202 и датчиками 203, 204). Система 305 защиты от нарушения сверхпроводимости выполнена с возможностью:Fig. 3 shows a multi-coil magnetic system comprising a plurality of coils 201 shown in FIG. 2 (with associated support structures 202 and sensors 203, 204). The superconductivity protection system 305 is configured to:

определять на основе этого сравнения, находится или нет каждая катушка возбуждения в предусловиях нарушения сверхпроводимости, с использованием как датчиков на каждой катушке возбуждения, так и датчиков на других катушках возбуждения.determine from this comparison whether or not each field coil is in the preconditions of superconductivity failure, using both the sensors on each field coil and the sensors on the other field coils.

--

Claims

As explained in the more detailed examples above, the magnetic system can also be designed with only strain gauges or only magnetic field sensors and a superconductivity protection system configured to take into account only strain or magnetic field (whichever is appropriate).

The anti-superconductivity protection system may be further configured to activate some method of preventing or mitigating a superconductivity failure upon determining that the field coil is in the preconditions of a superconductivity failure - for example, initiating a dump of magnet current to a cold ground, for example, by switching to a resistive load or deliberately disrupting the superconductivity of a large part of the magnet.

CLAIM

1. A method for detecting conditions in which superconductivity may fail in a superconducting magnet containing a plurality of HTSC field coils, each field coil containing:

a plurality of turns containing HTSC material and a metal stabilizer; and a conductive material connecting the turns so that current can be distributed radially between the turns through the conductive material;

wherein the method contains:

from tracking the deformation and/or magnetic field of each HTSC excitation coil;

comparing the tracked strain and/or magnetic field for each HTS drive coil with the tracked strain and/or magnetic field of at least one other HTS drive coil from the plurality of HTS drive coils;

in response to said comparison, determining whether the superconductivity of one or more of the HTS drive coils is possible.

2. The method according to claim 1, wherein determining whether the superconductivity of one or more of the HTSC excitation coils is possible, comprises one or more of:

determining that one of the HTS drive coils may fail to superconduct if the monitored strain or monitored magnetic field differs from the strain or magnetic field of at least one other HTS drive coil by more than a threshold value;

determining that the superconductivity of one of the HTSC field coils may be disrupted if the monitored strain or the monitored magnetic field has a component perpendicular to the strain or magnetic field of at least one other HTSC drive coil with a magnitude greater than a threshold value.

3. The method according to claim 2, wherein said or each threshold value is a predetermined fraction of the strain or magnetic field of said at least one other HTS drive coil.

4. A high-temperature superconductor (HTSC) magnetic system containing a plurality of HTSC field coils, each HTSC field coil containing:

many turns containing HTSC material and a metal stabilizer;

a conductive material connecting the turns so that current can be distributed between the turns through the conductive material;

wherein the magnetic system with HTSC additionally contains a protection system against violation of superconductivity and a plurality of sensors, including:

one or more strain gauge sensors located on each HTSC field coil or on a structural support of each HTSC field coil, and/or one or more magnetic field sensors configured to monitor the magnetic field of each HTSC field coil;

In this case, the protection system against superconductivity violations is designed to:

from monitoring the results of strain and/or magnetic field measurements for each HTSC field coil using said plurality of sensors;

compare the results of measuring the strain and/or magnetic field for each HTSC coil with the results of measuring the strain and/or magnetic field of at least one other HTSC field coil from said plurality of HTSC field coils;

in response to said comparison, determine whether the superconductivity of one or more of the HTS drive coils is possible.

5. The HTS magnetic system according to claim 4, wherein the conductive material is contained in a partially insulating layer containing any of:

discontinuous layer of insulation;

semiconductor;

-