ES2938711T3 - Imán superconductor de alta temperatura - Google Patents

Imán superconductor de alta temperatura Download PDF

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Abstract

Un imán superconductor de alta temperatura, HTS, que comprende una bobina formada por devanados concéntricos anidados. Cada devanado comprende material HTS. El imán HTS comprende además un elemento conductor que comprende una superficie de contacto eléctrico a través de la cual se suministra corriente eléctrica a una parte de al menos uno de los devanados. La superficie proporciona contacto eléctrico entre el elemento conductor y un borde axial de la bobina sustancialmente alrededor de la trayectoria del al menos uno de los devanados. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Imán superconductor de alta temperatura
Campo técnico
La presente invención se refiere a imanes superconductores de alta temperatura (HTS). En particular, se relaciona con la alimentación de corriente eléctrica a imanes HTS.
Antecedentes
Los materiales superconductores se dividen normalmente en "superconductores de alta temperatura" (HTS) y "superconductores de baja temperatura" (LTS). Los materiales LTS, tales como Nb y NbTi, son metales o aleaciones de metales cuya superconductividad puede ser descrita por la teoría BCS. Todos los superconductores de baja temperatura tienen una temperatura crítica (la temperatura por encima de la que el material no puede ser superconductor incluso en un campo magnético cero) por debajo de aproximadamente -243,15 °C (30 °K). La teoría BCS no describe el comportamiento del material HTS, y tales materiales pueden tener temperaturas críticas por encima de aproximadamente -243,15 °C (30 °K) (aunque debe tenerse en cuenta que son las diferencias físicas en la operación y composición de superconducción, en lugar de la temperatura crítica, que definen el material HTS). Los HTS más comúnmente usados son los "superconductores de cuprato" - cerámicas basadas en cupratos (compuestos que contienen un grupo de óxido de cobre), tales como BSCCO o ReBCO (donde Re es un elemento de tierras raras, comúnmente Y o Gd). Otros materiales HTS incluyen pnictidas de hierro (por ejemplo, FeAs y FeSe) y diborato de magnesio (MgB2).
ReBCO normalmente se fabrica como cintas, con una estructura como la que se muestra en la Figura 1. Tal cinta 100 tiene generalmente un espesor de aproximadamente 100 micrómetros e incluye un sustrato 101 (normalmente "hastelloy" electropulido de aproximadamente 50 micrómetros de espesor), en el que se deposita por IBAD, pulverización catódica con magnetrón, u otra técnica adecuada, una serie de capas intermedias conocidas como la pila intermedia 102, de un espesor aproximado de 0,2 micrómetros. Una capa epitaxial de ReBCO-HTS 103 (depositada por MOCVD u otra técnica adecuada) se superpone 15 a la pila intermedia, y normalmente tiene un espesor de 1 micrómetro. Se deposita una capa de plata 104 de 1-2 micrómetros sobre la capa de HTS mediante pulverización catódica u otra técnica adecuada, y una capa estabilizadora de cobre 105 (o "revestimiento") se deposita sobre la cinta mediante galvanoplastia u otra técnica adecuada, que a menudo encapsula completamente la cinta. La corriente eléctrica se acopla normalmente a la cinta 100 a través del revestimiento.
El sustrato 101 proporciona una estructura principal mecánica que se puede alimentar a través de la línea de fabricación y permitir el crecimiento de capas posteriores. Se requiere que la pila intermedia 102 proporcione una plantilla cristalina biaxialmente texturizada sobre la que hacer crecer la capa de HTS, y evita la difusión química de elementos del sustrato al HTS que dañan sus propiedades superconductoras. Se requiere la capa de plata 104 para proporcionar una interfaz de baja resistencia del ReBCO a la capa estabilizadora, y la capa estabilizadora 105 proporciona una trayectoria de corriente alternativa en caso de que cualquier parte del ReBCO deje de ser superconductora (entre al estado "normal").
Los imanes HTS se pueden formar enrollando cinta HTS, tal como la cinta ReBCO 100 descrita anteriormente, en una bobina. Los puntos comunes de falla en tales imanes HTS son lugares donde las cintas o cables individuales salen del paquete de devanado hacia las regiones de empalme (es decir, conexión eléctrica).
La Figura 2 muestra esquemáticamente un empalme eléctrico "convencional" a una bobina 201 que comprende cinta HTS 100. El devanado exterior de la bobina 201 se ha retirado parcialmente del paquete de devanado para crear un "cable volante" 202. Se aplica un accesorio de empalme eléctrico 203 al cable volante 202 para suministrar corriente eléctrica a la bobina 201.
En los empalmes de cables volantes, tales como los que se muestran en la Figura 2, las cintas HTS son vulnerables al movimiento cíclico bajo fuerzas electromagnéticas (EM) y contracción térmica, haciendo que se degraden durante el funcionamiento normal. A menudo, estas secciones "expuestas" de la cinta HTS corren también un mayor riesgo porque no hay vueltas (devanados) HTS adyacentes con las que compartir la corriente en caso de una degradación crítica de la corriente, lo que significa que estas secciones no se benefician de la proximidad al paquete de devanado principal para la disipación de calor y/o corriente.
Estas regiones de cables volantes también son vulnerables a daños durante los procesos de ensamblaje y devanado de imanes, puesto que las cintas individuales son frágiles y se doblan fácilmente por un mal manejo. Es más, en el esquema de cables volantes, a menudo ocurre que deben fabricarse costosas piezas mecanizadas de precisión para guiar y soportar los cables volantes a medida que se alejan del paquete de devanado y se colocan en un accesorio de empalme.
Otro problema que puede ocurrir en los imanes superconductores es el atemperado. El enfriamiento ocurre cuando una parte del hilo o bobina superconductora entra en estado resistivo. Esto puede ocurrir debido a fluctuaciones en la temperatura o el campo magnético, o daños físicos o defectos en el superconductor (por ejemplo, por irradiación de neutrones si el imán se usa en un reactor de fusión). Debido a las altas corrientes presentes en el imán, cuando incluso una pequeña parte del superconductor se vuelve resistiva, se calienta rápidamente. Como se ha mencionado anteriormente, los hilos superconductores están provistos de algún estabilizador de cobre para protección contra el atemperado. El cobre proporciona una trayectoria alternativa para la corriente si el superconductor se vuelve normal. Cuanto más cobre haya presente, más lentamente sube la temperatura en el punto caliente que se forma alrededor de una región de conductor atemperado.
Por lo tanto, existe la necesidad de un imán HTS que evite o mitigue algunos o todos estos inconvenientes.
El documento WO2017/094305 describe un superconductor que tiene un miembro de devanado con una superficie lateral que se extiende en la dirección radial de la bobina, que se forma devanando un material de hilo de cable superconductor y apilando el material de hilo de cable superconductor en la dirección radial de la bobina. La bobina tiene un circuito de derivación 19 que está dispuesto en la superficie lateral del miembro de devanado y que conecta eléctricamente el material de hilo de cable superconductor en la dirección radial de la bobina. El documento WO2017/061563 describe una bobina superconductora provista de una placa de metal que se extiende a lo largo de la trayectoria de devanado de la bobina para servir como derivación de corriente en caso de formación de un punto caliente. El documento JPH11329823 describe una bobina de tipo pancake con un primer anillo conductor dentro del que se anida la bobina y un segundo anillo conductor que se anida dentro de la bobina.
Sumario
Un objetivo de la presente invención es proporcionar un imán HTS que aborde, o al menos alivie, los problemas antes descritos.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un imán HTS. El imán HTS comprende: una bobina formada por devanados concéntricos anidados, comprendiendo cada devanado material HTS; y primer y segundo elementos conductores, comprendiendo cada uno superficies de contacto eléctrico respectivas a través de las que se alimenta corriente eléctrica a, o se recibe corriente eléctrica de, una porción de al menos uno respectivo de los devanados. La superficie proporciona contacto eléctrico entre el elemento conductor y un borde axial de la bobina sustancialmente alrededor de la trayectoria del al menos uno de los devanados. La superficie de contacto eléctrico del primer elemento conductor se encuentra más cerca del eje que la superficie de contacto eléctrico del segundo elemento conductor, por lo que la corriente eléctrica alimentada a la bobina a través del primer elemento conductor circula alrededor de los devanados sucesivos de la bobina antes de ser recibida por el segundo elemento conductor.
Cada devanado puede comprender cinta HTS y revestimiento conectado eléctricamente a la cinta HTS, proporcionándose el contacto eléctrico al revestimiento.
La superficie de contacto eléctrico proporciona contacto eléctrico con el borde axial de la bobina en aproximadamente más del 20 %, o preferiblemente más del 50 %, o más preferiblemente más del 80 % de la trayectoria de al menos uno de los devanados. La superficie de contacto eléctrico puede tener forma de anillo.
El imán HTS puede comprender una placa que se extiende a lo largo de uno o más de los otros devanados, el elemento conductor formado integralmente con la placa o dispuesto sobre la misma. El elemento conductor puede sobresalir de una cara de la placa y la placa comprende además una capa dieléctrica o eléctricamente resistiva para aislar eléctricamente la cara de la placa de la porción del uno o más de los otros devanados.
Como se utiliza en el presente documento, la expresión capa "resistiva eléctricamente" significa una capa que tiene una resistencia eléctrica mayor que la resistencia eléctrica entre el elemento conductor y la bobina y la resistencia eléctrica entre las vueltas de la bobina (es decir, la resistencia eléctrica radial de la bobina). No obstante, la capa eléctricamente resistiva puede ser térmicamente conductora, permitiendo así que el calor se transfiera desde (o hacia) la bobina de forma más eficaz. La capa eléctricamente resistiva puede ser o no una capa dieléctrica. Una capa no dieléctrica, pero eléctricamente resistiva se puede preferir en los casos donde un dieléctrico sea susceptible a daños por radiación, por ejemplo, cuando las bobinas son parte de un reactor de fusión tokamak.
El imán HTS puede comprender una capa conductora interfacial que se extiende a través de uno o más devanados para transferir calor y/o corriente eléctrica desde el borde del o de cada devanado. La capa conductora interfacial puede comprender latón y/o acero inoxidable. También se pueden utilizar otros metales "soldables", es decir, metales a los que se puede adherir soldadura para proporcionar contacto eléctrico. La capa conductora interfacial puede modelarse variando su espesor, por ejemplo, para producir un patrón "similar a una red".
La bobina puede comprender aislamiento eléctrico entre los devanados.
El imán HTS puede comprender uno o más sensores y/o uno o más calentadores dispuestos entre la placa y la bobina.
La superficie de contacto eléctrico puede proporcionar contacto eléctrico con el devanado más interior o más exterior de la bobina. La superficie de contacto eléctrico puede proporcionar contacto eléctrico a través de una discontinuidad en los devanados. Por ejemplo, si la bobina está formada por dos tramos de cinta HTS, la superficie de contacto eléctrico puede actuar como empalme eléctrico para empalmar las cintas en serie.
El imán HTS puede comprender además otro elemento conductor que comprenda una superficie de contacto eléctrico para recibir corriente eléctrica desde una porción de otro al menos uno de los devanados. La superficie proporciona contacto eléctrico con el borde axial u otro de la bobina sustancialmente alrededor de la trayectoria del otro al menos uno de los devanados. Las superficies de contacto eléctrico pueden proporcionar contacto eléctrico a las caras opuestas de la bobina.
El imán HTS puede comprender además una o más bobinas adicionales, teniendo la o cada bobina adicional elementos conductores para proporcionar contacto eléctrico en las caras opuestas superiores de esa bobina, estando las bobinas apiladas axialmente y conectadas eléctricamente entre sí a través de sus elementos conductores respectivos. Las bobinas apiladas axialmente adyacentes se pueden enrollar en direcciones opuestas.
El imán HTS puede comprender dos o más bobinas anidadas concéntricamente, cada una de las que tiene elementos conductores respectivos, conectándose eléctricamente cada bobina a una bobina adyacente mediante una conexión eléctrica entre elementos conductores respectivos de las bobinas. La conexión eléctrica puede ser flexible para adaptarse al movimiento de las bobinas entre sí. El imán HTS puede comprender uno o más soportes intermedios situados entre bobinas adyacentes para interceptar fuerzas radiales.
Las cintas HTS respectivas de bobinas adyacentes pueden diferir en uno o más de: espesor; composición; anchura; y numero.
También se describe en el presente documento un imán HTS que comprende primera y segunda bobinas, cada bobina formada por devanados concéntricos anidados, comprendiendo cada devanado material HTS; y primer y segundo elementos conductores, proporcionando cada elemento conductor una conexión eléctrica entre las bobinas. Cada elemento conductor comprende: una primera superficie de contacto eléctrico a través de la que transferir corriente eléctrica hacia o desde una porción de al menos uno de los devanados de la primera bobina; y una segunda superficie de contacto eléctrico a través de la que transferir corriente eléctrica hacia o desde una porción de al menos uno de los devanados de la segunda bobina. Cada superficie proporciona contacto eléctrico entre el elemento conductor respectivo y un borde axial de la bobina respectiva sustancialmente alrededor de la trayectoria del al menos uno de los devanados.
La resistencia eléctrica de la conexión eléctrica proporcionada por el primer elemento conductor dividida entre la resistencia eléctrica de la conexión eléctrica proporcionada por el segundo elemento conductor puede ser superior a 1,5, más de 3, o más de 10. Las áreas de las superficies de contacto eléctrico del segundo elemento conductor pueden ser mayores que las áreas de las superficies de contacto eléctrico del primer elemento conductor.
El primer elemento conductor puede estar situado radialmente hacia fuera del segundo elemento conductor. Esto puede permitir que el primer elemento conductor se coloque en una región de menor campo magnético.
El primer o segundo elemento conductor puede comprender una resistencia variable o interruptor. La resistencia variable o interruptor puede comprender material HTS.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un tokamak que comprende un imán HTS como se ha descrito anteriormente para el primer aspecto. El imán HTS está configurado para proporcionar un campo magnético toroidal o un campo magnético poloidal.
También se describe en el presente documento un método para generar una corriente semipersistente en el imán HTS descrito anteriormente. El método comprende: preparar cada una de las bobinas en un estado superconductor; conectar una fuente de alimentación en paralelo a través de las bobinas; y desconectar la fuente de alimentación.
El segundo elemento conductor puede comprender material HTS y el método puede comprender, después de conectar la fuente de alimentación en paralelo a través de las bobinas, cambiar el material HTS de un estado normal a un estado superconductor.
También se describe en el presente documento, pero no forma parte de la invención, como se reivindica, un método para realizar una conexión eléctrica a un imán HTS que comprende una bobina formada por devanados concéntricos anidados, comprendiendo cada devanado comprende material HTS. El método comprende: aplicar una capa dieléctrica o eléctricamente resistiva para cubrir parcialmente una cara de la bobina; aplicar una placa conductora a la capa dieléctrica o eléctricamente resistiva; y formar un contacto eléctrico entre la placa conductora y un borde axial de la bobina sustancialmente alrededor de la trayectoria de al menos uno de los devanados.
El método puede comprender además aplicar una capa conductora interfacial entre la capa dieléctrica o eléctricamente resistiva y la bobina, extendiéndose la capa conductora interfacial a través de uno o más de los otros devanados para transferir calor o corriente eléctrica desde el borde del o de cada devanado.
También se describe en el presente documento, pero no forma parte de la invención reivindicada, una placa conductora para suministrar corriente a un borde axial de una bobina formada por devanados concéntricos anidados. La placa conductora comprende un elemento conductor en forma de anillo formado integralmente con la placa o provisto sobre la misma. El elemento conductor comprende una superficie de contacto eléctrico para proporcionar contacto eléctrico entre el elemento conductor y la bobina. El elemento conductor comprende además una capa dieléctrica o eléctricamente resistiva sobre la placa conductora para proporcionar una barrera eléctricamente aislante adyacente a la superficie de contacto eléctrico.
La placa conductora puede comprender además una capa conductora interfacial que se extiende parcial o totalmente a través de la capa dieléctrica o eléctricamente resistiva. La capa conductora interfacial está configurada para transferir calor o corriente eléctrica desde el borde del devanado o de cada uno de los mismos.
También se describe en el presente documento, pero no forma parte de la invención reivindicada, un método para fabricar una placa conductora para suministrar corriente a un borde axial de una bobina formada por devanados concéntricos anidados. El método comprende: proporcionar un elemento conductor en forma de anillo formado integralmente con la placa o dispuesto sobre la misma, comprendiendo el elemento conductor una superficie de contacto eléctrico para proporcionar contacto eléctrico entre el elemento conductor y la bobina; y curar un material compuesto de fibras y resina sobre la placa conductora para formar una capa dieléctrica o eléctricamente resistiva sobre la placa conductora para proporcionar una barrera eléctricamente aislante adyacente a la superficie de contacto eléctrico.
El curado puede comprender calentar el material compuesto a una temperatura objetivo, mantener el material compuesto a la temperatura objetivo durante un período y enfriar el material compuesto.
La tasa de calentamiento puede ser inferior a 1 °C por minuto, preferiblemente inferior a 0,3 °C por minuto. La velocidad de enfriamiento puede ser inferior a 1 °C por minuto, preferiblemente inferior a 0,4 °C por minuto. La temperatura objetivo puede superior o igual a 180 °C. El período puede ser superior a 1 hora y, preferiblemente, superior a 2 horas.
También se describe en el presente documento, pero no forma parte de la invención de acuerdo con lo reivindicado, un método para formar una conexión eléctrica y/o térmica a una superficie de cobre, que comprende proporcionar una capa de plata sobre la superficie de cobre y proporcionar una capa de indio sobre la superficie de plata, por lo que se puede formar la conexión eléctrica y/o térmica con la capa de indio. También se describe en el presente documento un empalme eléctrico y/o térmico que comprende una superficie de cobre, una capa de plata y una capa de indio, situándose la capa de plata directamente entre la superficie de cobre y la capa de indio.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una vista esquemática en perspectiva de una cinta HTS de la técnica anterior;
la Figura 2 es una vista en planta esquemática de un empalme de cable volante de la técnica anterior;
las Figuras 3A y 3B son vistas esquemáticas en planta de imanes HTS; y
la Figura 4 es una vista en sección transversal esquemática de un imán HTS;
la Figura 5 es una vista en sección transversal esquemática de un imán HTS;
la Figura 6 es una vista en sección transversal radial esquemática de un imán HTS con un empalme radial; la Figura 7 es una vista en sección transversal radial esquemática de un imán HTS con múltiples bobinas "apiladas"; la Figura 8 es una vista en sección transversal esquemática de otro imán HTS;
la Figura 9 es una vista en sección transversal esquemática del imán HTS de la Figura 8 que muestra la corriente eléctrica que fluye a través del imán cuando se conecta una fuente de alimentación en paralelo a través de las bobinas; y
la Figura 10 es una vista en sección transversal esquemática del imán HTS de las Figuras 8 y 9 que muestra la corriente eléctrica que fluye a través del imán después de desconectar la fuente de alimentación.
Descripción detallada
En el presente documento se propone una solución a los problemas anteriores en la que se realiza una conexión eléctrica a una bobina magnética HTS a través del borde axial de la bobina, de forma que la corriente eléctrica pueda ser suministrada o recibida a través de una cara de la bobina. Esta forma de conexión permite conservar un paquete de devanado denso de cinta HTS, de tal forma que ninguna de las cintas HTS deba salir de la bobina. Por ejemplo, la conexión eléctrica puede ser proporcionada por un conductor en forma de anillo situado en la parte superior de una cara de la bobina, contactando el conductor el borde del devanado orientado hacia arriba alrededor de la circunferencia de la bobina.
Esta disposición o "empalme de anillo" se puede utilizar para minimizar el riesgo de fallas puntuales en el imán, tanto durante el montaje como durante el funcionamiento. También permite alimentar o extraer corriente de las bobinas HTS sin necesidad de cables volantes, eliminando la necesidad de muchas partes subsidiarias, reduciendo el coste y la complejidad y simplificando la fabricación de imanes HTS. Tales conexiones o empalmes pueden también mejorar el rendimiento de los imanes HTS como se describe a continuación.
Aunque en este documento se hace referencia a ciertas direcciones (por ejemplo, arriba, abajo) o a términos relativos (por ejemplo, por encima, encima de, debajo, etc.) debe entenderse que estos términos se utilizan simplemente con la finalidad de proporcionar ejemplos de los conceptos descritos en el presente documento. De forma similar, aunque la divulgación se ejemplifica con referencia a las bobinas de tipo "pancake", es decir, bobinas en gran parte planas formadas por devanados concéntricos anidados, se entenderá a partir de la siguiente descripción que la divulgación no se limita a tales bobinas.
La integración de empalmes de anillos en estructuras más grandes (descrita a continuación como placas de interfaz electrotérmica, "ETI") permite también conexiones térmicas, aislamiento eléctrico y sensores, que a menudo se aplican tradicionalmente al imán por separado, se proporcionarán como una sola unidad. Esto simplifica el proceso de montaje y permite fabricar estos componentes independientemente de la bobina HTS.
Las Figuras 3A y 3B muestran vistas esquemáticas en planta de dos posibles implementaciones de un empalme de anillo 300A, 300B para una bobina de tipo pancake 301.
La bobina 301 comprende devanados concéntricos anidados de cinta HTS 100 en una disposición predominantemente plana. La cinta HTS 100 se enrolla "cara a cara" de forma que los bordes opuestos de la cinta 100 sobresalgan a lo largo del eje 303 de la bobina. Cada devanado completo corresponde a una revolución completa (vuelta) de la cinta HTS 100 sobre el eje de la bobina 303. Los puntos inicial y final del devanado más exterior están etiquetados en la Figura 3A con 301A y 301B.
Los empalmes de anillo 300A, 300B están formados por conductores de anillos 304A, 304B respectivos. Para mayor claridad, los conductores de anillos 304A, 304B se muestran detrás de la bobina 301 para mostrar los devanados de la bobina. Cada conductor de anillo 304A, 304B comprende una corona o anillo hecho de un material conductor, preferiblemente un metal tal como cobre. Los conductores de anillos 200A, 200B en contacto con el borde superior o inferior de los devanados para proporcionar contacto eléctrico a la bobina 201. El conductor de anillo 300A está situado en el radio exterior de la bobina 201, mientras que el conductor de anillo 200B está situado en el radio interior de la bobina 201. Cada conductor de anillo 200A, 200B cubre solo una porción de los devanados para que la corriente eléctrica pueda suministrarse a un extremo de la bobina 201 y, así, circule a través de los devanados.
Como cada uno de los conductores de anillos 300A, 300B proporciona contacto eléctrico a diferentes extremos de la cinta HTS 100, pueden usarse como un par para impulsar la corriente eléctrica radialmente desde el interior hacia el exterior de la bobina 301 (o viceversa). Por ejemplo, la bobina 201 se puede proporcionar (intercalar) entre el par de conductores de anillos 304A, 304B para que la corriente pueda ser suministrada a una cara de la bobina 301 (por ejemplo, la parte superior) por un conductor de anillo 304A, pasar a través de los devanados de la bobina 301 para generar un campo magnético, y recibirse después desde la otra cara de la bobina por el otro conductor de anillo 304B.
Las anchuras radiales de los conductores de anillos 304A, 304B se eligen para compensar la resistencia de los empalmes con el número de vueltas entre los empalmes. La resistencia de los empalmes se puede reducir haciendo el conductor de anillo 304A, 304B más ancho para cubrir más vueltas de la bobina 301. Sin embargo, como resultado, el campo magnético producido por el imán por unidad de corriente se reduce puesto que disminuye el número de vueltas que transportan la corriente completa del imán. Lo contrario es cierto si se reduce el ancho radial.
Puesto que los empalmes de anillos pueden subtender una longitud del orden de la circunferencia de la bobina, los empalmes de baja resistencia se pueden hacer normalmente con conductores de anillos radialmente estrechos 304A, 304b que no disminuyen significativamente el campo producido por el imán. Aunque los conductores de anillos 304A, 304B en las Figuras 3A y 3B se muestran extendiéndose ligeramente fuera de los bordes exterior/interior de la bobina 301, como alternativa, la forma de los conductores de anillos puede adaptarse más estrechamente al perfil radial de la bobina 301 para minimizar la huella radial de la bobina 301 y el empalme de anillo 300A, 300B.
Aunque en las Figuras 3A y 3B se utilizan bobinas circulares de tipo "pancake" para ilustrar las características de los empalmes de anillos 300A, 300B, se apreciará fácilmente que estos tipos de empalme podrían aplicarse a otras formas de bobina, tales como las bobinas de campo toroidales en forma de "D" como las que se usan en un tokamak. En tales casos, los empalmes de anillo 300A, 300B no tienen que ser circulares y pueden tener una forma que siga la trayectoria de los devanados de la bobina. De forma similar, no es necesario que los conductores de "anillo" 304A, 304B se extiendan completamente alrededor de la trayectoria de los devanados de la bobina y, en su lugar, pueden extenderse solo parcialmente alrededor de la trayectoria de los devanados de la bobina. Por ejemplo, para imanes de gran radio y/o compuestos por cinta HTS gruesa, puede ser posible formar un empalme de baja resistencia usando un conductor de anillo que se extienda solo un 20 %, 50 % u 80 % del recorrido alrededor de la trayectoria de los devanados, es decir, de forma que el conductor de anillo subtienda un ángulo de menos de 360 grados. La introducción de una "interrupción" en el conductor de anillo (haciendo que no se extienda completamente alrededor de la trayectoria de los devanados) puede evitar preferiblemente la formación de bucles de corriente parásita dentro del conductor del anillo, lo que puede ser útil en aplicaciones como la resonancia magnética nuclear (NMR) o la formación de imágenes por resonancia magnética (m R i). En otras aplicaciones, tales como un Tokamak (véase a continuación), por ejemplo, las restricciones geométricas y/o la presencia de otros componentes pueden requerir una interrupción de este tipo.
Los empalmes de anillos se pueden proporcionar como parte de una estructura más grande, que puede denominarse placa conductora o placa de interfaz electrotérmica (ETI). Las placas ETI son, en general, placas compuestas de metal/aislante/sensor que, como se expone más adelante, se pueden unir a las caras de los bordes de las bobinas HTS para realizar un número de tareas:
• Un medio para realizar empalmes eléctricos hacia y/o entre bobinas HTS.
• Un medio de introducir una resistencia controlada en paralelo con una bobina HTS para lograr un "aislamiento parcial". La geometría de la resistencia se puede moldear para ajustar el comportamiento electrotérmico dinámico de la bobina.
• Un medio para formar una interfaz térmica con la bobina HTS para su enfriamiento.
• Un medio para introducir un aislamiento eléctrico fino entre las bobinas HTS y proteger mecánicamente el aislamiento contra daños.
• Un medio para incluir objetos auxiliares (tales como sensores o calentadores) en un imán HTS sin perturbar los devanados HTS.
La Figura 4 muestra una sección transversal a través de un ejemplo de imán 400 que comprende dos placas ETI 400A, 400B aplicadas a una sola bobina de tipo pancake 401. En este ejemplo, la bobina 401 comprende dos tramos de cinta HTS 100 enrollados juntos alrededor del eje de imán 303. Las cintas 100 están revestidas de cobre 101 como un "par tipo 0" (como se describe, por ejemplo, en el documento WO2018/078326) para que cada devanado incluya dos cintas. Se proporciona un aislante 402 entre los devanados de las cintas HTS 100 para evitar que la corriente eléctrica fluya a través de las caras de la cinta HTS, es decir, para que la corriente eléctrica inyectada en un extremo de las cintas HTS 100 sea forzada a circular alrededor de los devanados de la bobina 401. Cada una de las placas ETI 400A, 400B comprende un conductor de anillo 404A, 404B respectivo que forma un empalme de anillo en cada extremo de las cintas HTS 100. En este ejemplo, se suministra corriente eléctrica a la bobina 401 a través del extremo radialmente más interior de las cintas HTS 100 usando la placa ETI inferior 400B. La corriente fluye alrededor de los devanados sucesivos de la bobina 301 antes de ser recibida por la placa ETI superior 400A a través del conductor de anillo 404A en el extremo radialmente más exterior de las cintas HTS 100.
Aunque las placas ETI 400A, 400B están en contacto eléctrico con la bobina 401 solo a través de los conductores de anillos 404A, 404B, las propias placas se extienden radialmente a través de la bobina para formar una capa de "conductores base" 405A, 405B a través de la que se alimenta corriente a (o recibe corriente de) los empalmes de anillos y se proporciona una trayectoria para conducir el calor lejos de la bobina 301. En este ejemplo, los conductores base 405A, 405B se forman a partir de cobre, aunque también se pueden utilizar otros materiales conductores (por ejemplo, metales). Los conductores de anillos 404A, 404B puede formarse integralmente con los conductores base 405A, 405B o adherirse a los mismos, por ejemplo, por soldadura.
Al formar los conductores de anillos 404A, 404B en (o integrales con) las placas ETI 400A, 400B, se pueden hacer muy estrechos en su dimensión radial (submilimétricos si es necesario) sin dejar de ser fáciles de manejar, en una forma que sería difícil de lograr si el conductor de anillo fuera un objeto independiente. La gran superficie proporcionada por los conductores base 405A, 405B permite que el calor se elimine de forma eficiente de la bobina 401 y permite una mayor flexibilidad en el lugar donde se pueden colocar las conexiones eléctricas al imán.
El conductor base 405A, 405B en las placas ETI 400A, 400B se puede hacer fino para minimizar el aumento de temperatura a través del mismo y para garantizar que las bobinas no estén demasiado separadas axialmente para evitar la atenuación de la intensidad del campo magnético. Como alternativa, el calor se puede extraer también radialmente a un bus de enfriamiento en el diámetro exterior o interior de la bobina 401, en cuyo caso el conductor base 405A, 405B debe hacerse lo suficientemente grueso para satisfacer los requisitos de temperatura. Las placas ETI 400A, 400B se pueden estructurar también para permitir que una o más de las caras de la bobina 401 se enfríen más eficazmente (es decir, sin depender de la conducción de calor a los extremos radiales de la bobina). Por ejemplo, las placas ETI 400A, 400B pueden incluir canales o tuberías a través de los que fluya un refrigerante líquido o gaseoso para transferir el calor fuera de la bobina 401. Preferiblemente, los canales o tuberías se pueden proporcionar sobre o dentro de uno o más de los conductores base 405A, 405B.
El uso de placas ETI 400A, 400B para el enfriamiento proporciona un enfoque alternativo a métodos como el uso de pastas térmicamente conductoras, que tienen una conductancia térmica inferior en comparación con la soldadura y pueden ser difíciles de aplicar bien en capas finas y complicar el proceso de fabricación.
La placa ETI 400A, 400B incluye también una capa dieléctrica 406A, 406B para aislar eléctricamente los bordes de la cinta HTS 100 de las porciones del conductor base 405A, 405B de las placas. Las capas dieléctricas 406A, 406B están formadas por un material dieléctrico, por ejemplo, un compuesto de fibra de vidrio/resina, tal como "pre-preg".
Las placas ETI 400A, 400B incluyen además una capa conductora interfacial 407A, 407B, que se puede soldar a la bobina 401 para un excelente contacto térmico y eléctrico. Esta capa actúa como una resistencia radial para controlar el comportamiento térmico y eléctrico de la bobina 401. Tal "aislamiento parcial", es decir, la introducción de una resistencia "vuelta a vuelta" controlada, proporciona un equilibrio deseable entre la estabilidad térmica y el tiempo de rampa de la bobina en las bobinas HTS. La capa conductora interfacial está formada por un material conductor, preferiblemente latón o acero inoxidable, puesto que este material se puede soldar y tiene una resistividad eléctrica mucho mayor que el cobre, permitiéndole ser más gruesa y así tener un espesor más fácilmente controlable. Tal "aislamiento parcial" (PI), es decir, la introducción de una resistencia "vuelta a vuelta" controlada, proporciona un equilibrio deseable entre la estabilidad térmica y el tiempo de rampa de la bobina en las bobinas HTS. En particular, el uso de una capa que se extiende a través de los devanados de la bobina puede obviar la necesidad de otras formas de aislamiento parcial, tales como capas "enrolladas" de metales tales como el acero inoxidable.
En algunos casos, la capa conductora interfacial 407A, 407B puede unirse a la capa dieléctrica 406A, 406B con pegamento. Sin embargo, el pegamento debe ser capaz de soportar las temperaturas de soldadura sin debilitarse estructuralmente ya que, de lo contrario, las capas tienden a deslaminarse durante la soldadura, Una forma de superar este problema es utilizar un compuesto de fibra de vidrio/resina, tal como "pre-preg" como medio dieléctrico y de unión. Por ejemplo, se puede utilizar un compuesto tal como "Prepreg MTC400" producido por "SHD Composites". Realizando un proceso de curado relativamente largo es posible elevar la temperatura de transición vítrea (T g ) del compuesto por encima de la temperatura convencional de soldadura de la bobina. Por ejemplo, el compuesto se puede "curar posteriormente" calentándose a una velocidad de aproximadamente 0,3 °C/min a 180 °C, manteniéndose durante 2 horas y enfriándose después a una velocidad de aproximadamente 0,3 °C/min. Este procedimiento puede, por ejemplo, lograr una T g de 200 °C, lo que permite que el compuesto resista la mayoría de los procesos de soldadura, que se producen a temperaturas más bajas. Puede, sin embargo, no ser posible realizar un tratamiento de curado de este tipo con la placa ETI in situ en la bobina, puesto que las temperaturas y los tiempos elevados dañarían la bobina (debido a la degradación continua de las cintas HTS que se produce en función de la temperatura y el tiempo) y posiblemente dañarían o degradarían las conexiones soldadas que ya se hayan realizado.
Aunque también se pueden usar bobinas no aisladas, la inclusión del aislante 402 aumenta la eficacia de la resistencia "vuelta a vuelta" al bloquear la trayectoria alternativa de baja resistencia entre los devanados a través del revestimiento de cobre de las cintas HTS 100.
El espesor de las placas ETI 400A, 400B (es decir, el espesor total, incluido el conductor de anillo) suele estar en el intervalo de 0,25 a 1,00 mm, estando el espesor de la capa dieléctrica (cuando está presente) normalmente en el intervalo de 10 -100 pm y el espesor del conductor interfacial (cuando está presente) está normalmente en el intervalo de 10 -100 pm.
La soldadura utilizada para unir la capa interfacial 407A, 407B a los devanados de la bobina 401 es normalmente PbSn. Sin embargo, este material es tan conductor que incluso una fina capa de PbSn en la capa interfacial 407A, 407B proporcionará una trayectoria de corriente de muy baja resistencia, lo que hará que la corriente eléctrica pase por alto la capa interfacial 407A, 407B. Para evitar este problema, un material de soldadura se elige como uno con una alta resistividad, preferiblemente uno que tenga una resistividad más alta que el PbSn, por ejemplo, un material de soldadura que tenga una resistividad que es más de 10 veces la resistividad del PbSn cuando la bobina se usa en un imán, por ejemplo, a una temperatura inferior a la temperatura crítica de la cinta ReBCO. Por ejemplo, el material de soldadura puede estar formado por PbBi, puesto que este material tiene una resistividad se aproximadamente 50 veces mayor que la del PbSn. De forma similar, se puede utilizar también PbBiSn. La mayor resistencia del recubrimiento de soldadura de PbBi (o PbBiSn) (en comparación con el recubrimiento de soldadura de PbSn) significa que fluye más corriente dentro de la capa interfacial 407A, 407B.
Las placas ETI parcialmente aislantes ofrecen la ventaja de ser muy flexibles. La resistencia de vuelta a vuelta se puede controlar cambiando el espesor y la composición del conductor interfacial. La geometría de la capa conductora interfacial se puede modificar mediante el uso de litografía, por ejemplo, grabando patrones fragmentados en forma de red para interceptar corrientes radiales de largo alcance o espirales inductivas que proporcionan impedancia, proporcionar ambas puede permitir que se obtenga un equilibrio entre los tiempos de carga y la estabilidad termoeléctrica.
Es deseable un aislamiento eléctrico fino entre las bobinas de tipo pancake para proporcionar las propiedades dieléctricas necesarias sin introducir un aumento de temperatura demasiado grande causado por el calor que fluye a través de las mismas. Sin embargo, puesto que muchos materiales dieléctricos comunes (tales como las láminas de poliimida) son blandos, son vulnerables a perforaciones bajo las tensiones electromagnéticas que se encuentran durante la operación y el ensamblaje del imán. Al incrustar el aislamiento dentro de una placa ETI, con láminas metálicas que protegen el aislamiento por ambas caras, el riesgo de pinchazo es mínimo.
Puesto que la placa ETI es un objeto separado de la bobina, se puede reemplazar para cambiar el comportamiento de la bobina. Por ejemplo, inicialmente se pueden unir placas ETI con un conductor interfacial grueso para operar la bobina de forma segura y determinar su corriente crítica. Una vez determinada la corriente máxima de trabajo, la placa ETI se puede cambiar a una que ofrezca la capacidad de aumentar el imán más rápidamente dentro de la envolvente de rendimiento conocida del imán.
La Figura 5 muestra una sección transversal a través de un imán 500 que comprende dos imanes 400 apilados axialmente, comprendiendo cada uno una bobina de tipo pancake 401A, 401B. Los empalmes térmicos y eléctricos entre las bobinas 401A, 401B se pueden hacer conectando las capas base de cobre de las placas ETI adyacentes 402A, 402B entre sí después del apilado. Esto se puede hacer presionando axialmente (es decir, a lo largo del eje 503 del imán) y agregando opcionalmente una capa conductora compatible 504, tal como una capa de indio, entre los imanes 400, o por soldadura (aunque esto requiere calentar todo el imán). También se puede utilizar una técnica "NanoBond" (r Tm ) en la que se inserta una lámina multicapa entre las placas ETI 402A, 402b y se inicia una reacción química dentro de la lámina para generar calor para soldar la lámina a cada una de las placas.
Para que los empalmes térmicos y/o eléctricos entre las placas ETI adyacentes 402A, 402B sean eficaces, es preferible que el estado de la superficie de las placas sea bueno, por ejemplo, libe de óxidos. Una forma de lograr esto es proporcionar la(s) capa(s) base(s) de cobre de las placas ETI 402A, 402B, con una capa (por ejemplo, un revestimiento) de un metal noble, tal como la plata. Se prefiere una capa de plata porque la plata tiene poca afinidad por el oxígeno y también es químicamente compatible con el indio, lo que permite realizar empalmes prensados de alta calidad con una capa de indio compatible 504.
las placas adicionales 505A, 505B, tal como placas de cobre, pueden proporcionarse axialmente en cualquiera de los extremos del imán 500 para proporcionar enfriamiento adicional o para proporcionar conexiones eléctricas al imán 500.
Una fuente de alimentación (no mostrada) está conectada a través de las placas 505A, 505B para suministrar corriente eléctrica al imán 500. En este ejemplo, los empalmes de anillos de cada una de las caras del imán están situados en los bordes radialmente más externos de las bobinas, mientras que los empalmes de anillos que conectan las dos bobinas están situados en los bordes radialmente más internos de las bobinas. Por lo tanto, la corriente eléctrica fluye radialmente hacia dentro a través de los devanados de una de las bobinas, después axialmente entre las bobinas y después radialmente hacia fuera a través de los devanados de la otra bobina. Como la corriente fluye en direcciones opuestas a través de cada bobina, las bobinas 401A, 401B se enrollan en direcciones opuestas (es decir, en sentido horario/antihorario) para que el campo magnético producido por cada uno de los imanes 400 tenga la misma polaridad, permitiendo así que se generen campos magnéticos muy grandes. Por ejemplo, las bobinas 401A y 401B se pueden preparar de forma idéntica (es decir, enrollarse en la misma dirección) y después una de las bobinas se "voltea" con respecto a la otra antes de apilarse para formar el imán 500. Se apreciará que se pueden apilar más bobinas de tipo pancake de esta forma, con más placas ETI entre las mismas.
Como se ha analizado anteriormente, las placas ETI pueden incluir canales o tuberías a través de los que fluye gas o líquido para transferir el calor lejos de la(s) bobina(s). Una disposición de este tipo es particularmente efectiva para enfriar imanes apilados axialmente 400, tales como los que se muestran en la Figura 5. En particular, proporcionar canales o tuberías de enfriamiento en las placas ETI 402A, 402B situadas entre las bobinas permite que el calor se transfiera de forma más efectiva desde el "cuerpo" de las bobinas, 401A, 401B.
Los conductores de anillos en las placas ETI se pueden usar también para hacer empalmes eléctricos entre bobinas de tipo pancake anidadas/concéntricas, es decir, empalmes que transportan corriente en la dirección radial, en lugar de en la dirección axial como se ha descrito anteriormente. Por ejemplo, una bobina de tipo pancake se puede agrandar enrollando una segunda longitud de cinta HTS a su alrededor, en cuyo caso, se puede hacer un empalme eléctrico entre los extremos de las dos cintas HTS utilizando un conductor de anillo, preferiblemente en una placa ETI, es decir, el conductor de anillo se usa para proporcionar un empalme a través de una discontinuidad o interrupción en los devanados. Un ejemplo de dónde esto puede ser útil es para la reducción de tensión en bobinas profundas (aquellas para las que el radio exterior dividido entre el radio interior es grande, superior a ~3, por ejemplo). En una situación de este tipo, es beneficioso subdividir la bobina en múltiples bobinas anidadas e interceptar las fuerzas generadas por cada una, evitando la acumulación de tensión en los devanados. En este caso, se puede realizar una unión radial entre bobinas anidadas con un conductor de anillo adecuado en una placa ETI.
La Figura 6 muestra una sección transversal radial a través de un imán HTS 600 con dos conductores de anillos 604A, 604B que proporcionan empalmes radiales entre una bobina interior 601 y una bobina exterior 602. Un soporte mecánico 607, tal como un cilindro, se proporciona entre las bobinas interior y exterior 601, 602 para interceptar las fuerzas radiales entre las mismas.
La Figura 7 muestra una sección transversal radial a través de un imán HTS 600 que puede producir campos magnéticos muy altos en una forma compacta, robusta y directa.
El imán HTS 700 comprende pilas anidadas radialmente 701, 702, 703 de los imanes HTS 400 descritos anteriormente. Por ejemplo, la pila radialmente más exterior comprende imanes HTS 400A-F dispuestos axialmente, con imanes adyacentes conectados eléctricamente a través de sus respectivas placas ETI. Las uniones anulares formadas por las placas ETI están dispuestas de forma que la corriente fluya alternativamente entre el flujo axial (entre bobinas adyacentes) y el flujo radial (alrededor de los devanados de cada bobina), como lo indican las flechas superpuestas en los imanes HTS 400A-F en la Figura 6. En cuanto al imán HTS 400 descrito con referencia a la Figura 4, las bobinas de imanes adyacentes están enrolladas en direcciones opuestas de forma que se maximiza el campo magnético a lo largo del eje 704 del imán. Las otras dos pilas de imanes anidados 702, 703 tienen una configuración similar para reforzar el campo magnético generado por la pila exterior 701. Los empalmes/conexiones radiales 705, 706 se forman entre las placas ETI de terminación de las pilas adyacentes para permitir que la corriente eléctrica fluya desde una pila hasta la siguiente. En el ejemplo mostrado en la Figura 6, la corriente se alimenta al imán 700 a través de la placa ETI superior del imán HTS superior 400A de la pila exterior 701. Después de fluir a través de la pila 701 como se ha descrito anteriormente, la corriente fluye después radialmente a través del empalme 705 hacia la pila anidada exterior 702. De forma similar, después de fluir a través de esta pila 702, la corriente fluye después radialmente hacia la pila anidada interior 703 a través del empalme 706. Por último, después de fluir a través de la pila anidada interior 703, la corriente sale del imán 700 a través de la placa ETI inferior del imán HTS más bajo de la pila anidada interior 703.
Aunque en el ejemplo de imán 700 que se muestra en la Figura 7, hay tres pilas 701, 702, 703, cada una con 6 bobinas HTS, podría utilizarse, por supuesto, cualquier número de pilas y/o bobinas. Las pilas pueden tener también diferentes números de bobinas para proporcionar una mayor flexibilidad en el diseño del imán.
La composición del imán HTS 700 a partir de muchos imanes HTS más pequeños ("subdivisión de bobina") proporciona una serie de ventajas. En particular, como se describe a continuación, la subdivisión de bobinas permite superar los problemas con las limitaciones de tensión de las cintas HTS y un diseño de imán más óptimo mediante la "clasificación" de las bobinas subdivididas de acuerdo con su ubicación en el imán 700.
Teniendo en cuenta las limitaciones de tensión de las cintas HTS, la resistencia a la tracción transversal máxima permisible de las cintas HTS 100 es normalmente aproximadamente 10-50 MPa, lo que proporciona una limitación práctica sobre la profundidad radial de los devanados que se pueden utilizar. Sin embargo, este problema se puede evitar mediante la subdivisión de bobinas subdividiendo una bobina en varias bobinas anidadas radialmente, como se muestra en la Figura 7, e insertando soportes mecánicos 707, 708 entre las bobinas. De forma similar, las fuerzas axiales se pueden interceptar subdividiéndolas a lo largo del eje del imán e insertando estructuras de soporte axial (no mostradas).
Considerando la "clasificación" de las bobinas subdivididas, en imanes de alto campo, el vector de campo magnético puede variar significativamente dependiendo de la ubicación radial y/o axial con el imán. Para imanes HTS, esto significa que los parámetros que caracterizan el funcionamiento del imán como superconductor, tal como la corriente crítica, dependen también de la ubicación. Por lo tanto, se puede obtener un diseño más óptimo del imán 700 clasificando la cinta HTS 100 de acuerdo con su ubicación en el imán. Por ejemplo, para lograr el campo magnético más alto posible, y para la gestión del atemperado, es deseable maximizar la relación (gamma) de la corriente a la corriente crítica (I/Ic) en todas partes del imán. La clasificación se puede realizar variando el número de cintas HTS por vuelta/devanado, el ancho o espesor de la cinta, o el tipo de cinta (es decir, el fabricante o los materiales HTS utilizados).
Suele ocurrir que los sensores (tales como sondas de temperatura o tensión) deben integrarse en los imanes HTS para fines de supervisión. Otros objetos, tales como calentadores, puede también ser necesario para fines de protección contra el atemperado. Es deseable que la bobina HTS y los elementos auxiliares sean objetos separados, de tal forma que los dos puedan fabricarse por separado y reemplazarse de forma independiente en caso de falla. Se puede hacer una placa ETI adecuadamente adaptada aloje muchos sensores u otros objetos que no necesitan estar incrustados directamente en los devanados de la bobina HTS.
La Figura 8 muestra una sección transversal a través de un imán HTS 800 que es similar al imán HTS 500 que se muestra en la Figura 5, excepto que cada una de las placas ETI adyacentes 801A, 801B comprende un conductor de anillo interior 804A, 804B y un conductor de anillo exterior 805A, 805B.
Como se muestra en la Figura 9, la inclusión de dos conductores de anillos en cada placa proporciona dos trayectorias alternativas 908, 909 para que la corriente fluya a través del imán 800 cuando se conecta una fuente de alimentación 907 a través del par de bobinas. Una trayectoria 908, es la misma que la trayectoria descrita con referencia a la Figura 4, es decir, la corriente fluye alrededor de los devanados de cada bobina 400 a su vez, a través de los conductores de anillos interiores 805A, 805B. La otra trayectoria 909 "cortocircuita" o elude la trayectoria 908 proporcionando una conexión eléctrica entre los devanados exteriores de las bobinas 400. En este caso, la corriente fluye hacia una de las bobinas 400 a través de su(s) devanado(s) exterior(es) y sale de la bobina a través del conductor de anillo exterior 804B, en lugar de pasar alrededor de los otros devanados de la bobina. De forma similar, la corriente pasa a los devanados exteriores de la otra bobina a través del conductor de anillo exterior 804A, entre sus bordes axiales y fuera de la bobina, sin pasar por los otros devanados de la otra bobina.
La proporción de la corriente que fluye a lo largo de cada trayectoria 908, 909 se rige por las resistencias eléctricas relativas de las trayectorias, lo que se puede controlar variando las resistencias eléctricas de los conductores de anillos exteriores e interiores 804A, 804B, 805A, 805B y/o las resistencias eléctricas asociadas a los contactos eléctricos realizados por los anillos conductores a los devanados de las bobinas 400. La trayectoria más larga y tortuoso 908 puede preferirse a la trayectoria más corta y directa 909, de tal forma que la mayor parte de la corriente fluye radialmente dentro y fuera de las bobinas 400, haciendo que la resistencia eléctrica de la trayectoria directa 909 sea mucho mayor que la de la trayectoria tortuosa 908. Esto se logra, por ejemplo, haciendo las áreas de los conductores de anillos exteriores 804A, 804B más pequeñas que las áreas de los conductores de anillos interiores 805A, 805B. Aunque una pequeña cantidad de corriente de fuga pasa por la trayectoria 909 y no contribuye al campo magnético producido por la circulación de la corriente a través de los devanados de las bobinas 400, las bobinas 400 pueden cargarse hasta la corriente crítica completa en los devanados interiores, y la corriente de fuga adicional puede transportarse por los devanados exteriores, puesto que tienen una corriente crítica más alta en esta región de campo magnético más bajo. Una vez que el imán 800 está cargado, la fuente de alimentación 907 puede desconectarse de tal forma que la corriente fluya alrededor de las bobinas 400 en un bucle cerrado.
La Figura 10 muestra la trayectoria 1010 de una corriente "atrapada" que fluye dentro del imán 800 después de que se haya desconectado la fuente de alimentación 907. En este caso, la corriente fluye alrededor de un circuito cerrado que pasa a través de los devanados de las bobinas 400 y a través de cada uno de los conductores de anillos 805B, 805A, 804A, 804B a su vez. Como las bobinas 400 son superconductoras, la corriente puede fluir alrededor de la trayectoria 1010 durante largos períodos antes de decaer, es decir, la corriente circulante y el campo magnético que genera, son "semipersistentes".
La constante de tiempo asociada con la caída de la corriente circulante se define por la relación (L/R) de la autoinductancia magnética de la bobina (L) en relación con su resistencia eléctrica (R). Considérese, por ejemplo, un imán que tiene bobinas que tienen un diámetro interior de 50 mm y un diámetro exterior de 98 mm, una autoinducción de ~2 mH y empalmes eléctricos de resistencia normal -1-5 nü en nitrógeno líquido (es decir, una resistencia combinada estimada de los empalmes eléctricos interiores y exteriores de -10 nü). La constante de tiempo L/R de este imán sería de aproximadamente 200.000 segundos, es decir, 2,3 días.
Una constante de tiempo grande está también asociada con un tiempo de "carga" grande, es decir, el tiempo para establecer una distribución de corriente de estado estable entre las trayectorias 908, 909 cuando se conecta la fuente de alimentación. Para minimizar el tiempo de carga, es beneficioso aumentar la resistencia de la trayectoria 908 mientras se carga (es decir, en la configuración que se muestra en la Figura 9). Esto se puede lograr con una resistencia variable o un interruptor incorporado en el empalme eléctrico exterior proporcionado por los conductores de anillos exteriores 804A, 804B. Por ejemplo, se puede proporcionar un interruptor HTS que comprende material HTS entre los conductores de anillos exteriores 804A, 804B. Durante la carga, el interruptor está "apagado" (en un estado sin superconducción) para proporcionar una gran resistencia y, en consecuencia, una carga rápida. Esto se logra al, por ejemplo, calentar el material HTS por encima de su temperatura crítica. Posteriormente, el interruptor se "conecta" (por ejemplo, ya no se calienta, o más bien, se enfría) para cerrar la trayectoria de corriente 1010 y la fuente de alimentación se desconecta.
Una aplicación importante de los imanes HTS como los descritos anteriormente es en un tipo de reactor de fusión conocido como tokamak. Un tokamak presenta una combinación de fuerte campo magnético toroidal, alta corriente de plasma y, normalmente, un gran volumen de plasma y un importante calentamiento auxiliar, para proporcionar plasma estable, caliente. Esto permite que los tokamaks generen condiciones para que se produzca la fusión. El calentamiento auxiliar (por ejemplo, a través de decenas de megavatios de inyección de haz neutro de hidrógeno, deuterio o tritio de alta energía) es necesario para aumentar la temperatura a los valores suficientemente altos necesarios para que se produzca la fusión nuclear y/o para mantener la corriente de plasma.
Las bobinas magnéticas de un tokamak se pueden dividir en dos grupos. Las bobinas de campo poloidal son bobinas circulares horizontales enrolladas con su centro sobre la columna central del tokamak y producen un campo poloidal (es decir, uno que es sustancialmente paralelo a la columna central). Las bobinas de campo toroidal se enrollan verticalmente a través de la columna central y alrededor del exterior de la cámara de plasma (las "extremidades de retorno") para producir un campo toroidal (es decir, uno que es circular alrededor de la columna central). La combinación de los campos poloidal y toroidal produce un campo helicoidal dentro de la cámara de plasma que mantiene confinado al plasma.
Las corrientes requeridas para generar el campo toroidal son muy grandes. Por lo tanto, los diseños de tokamaks implican cada vez más el uso de materiales superconductores en las bobinas de campo. Para un tokamak esférico compacto, el diámetro de la columna central debe ser lo más pequeño posible. Esto presenta requisitos contradictorios, puesto que la densidad de corriente que se puede lograr, incluso con materiales superconductores, es limitada.
Los imanes HTS descritos en el presente documento son particularmente adecuados para su uso en tokamaks, en particular, tokamaks esféricos, por ejemplo, para producir cualquiera de (o ambos) los campos toroidal o poloidal.
Aunque que se han descrito anteriormente diversas realizaciones de la presente invención, debe entenderse que se han presentado a modo de ejemplo, y no como limitación. Será evidente para los expertos en la(s) materia(s) relevante(s) que podrían realizarse diversos cambios y modificaciones en el presente documento sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, aunque se ha descrito que las bobinas anteriores tienen cintas HTS 100 dispuestas en una configuración de "tipo 0", se pueden utilizar también otras configuraciones, por ejemplo, "tipo 1" y "tipo 2" (como se describe, por ejemplo, en el documento WO2018/078326).
De forma similar, si bien en los ejemplos descritos anteriormente, las bobinas están por lo general conectadas en serie a través de una fuente de alimentación, también es posible conectar las bobinas en paralelo a través de la fuente de alimentación. Por tanto, la presente invención no debe estar limitada por ninguno de los ejemplos de realizaciones descritos anteriormente, sino que debe definirse únicamente de acuerdo con las siguientes reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un imán superconductor de alta temperatura, HTS (400, 500, 600, 700, 800) que comprende:
una bobina (401) formada por devanados concéntricos anidados enrollados alrededor de un eje (403) de la bobina, comprendiendo cada devanado material HTS; y
primer y segundo elementos conductores (404A, 404B), comprendiendo cada uno superficies de contacto eléctrico respectivas a través de las que se alimenta corriente eléctrica a, o se recibe corriente eléctrica de, una porción de al menos uno respectivo de los devanados, proporcionando cada superficie de contacto eléctrico contacto eléctrico entre el elemento conductor y un borde axial de la bobina al menos parcialmente alrededor de la trayectoria del respectivo al menos uno de los devanados, y
estando caracterizado por que la superficie de contacto eléctrico del primer elemento conductor se encuentra más cerca del eje que la superficie de contacto eléctrico del segundo elemento conductor, por lo que la corriente eléctrica alimentada a la bobina a través del primer elemento conductor (404A) circula alrededor de los devanados sucesivos de la bobina antes de ser recibida por el segundo elemento conductor (404B).
2. Un imán HTS de acuerdo con la reivindicación 1, en donde cada devanado comprende cinta HTS (100) y revestimiento (105) conectado eléctricamente a la cinta HTS, proporcionándose los contactos eléctricos al revestimiento.
3. Un imán HTS de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde las superficies de contacto eléctrico proporcionan contacto eléctrico a uno o más de los bordes axiales de la bobina en más del 20 %, más del 50 % o más del 80 % de la trayectoria del respectivo al menos uno de los devanados.
4. Un imán HTS de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una o más de las superficies de contacto eléctrico tiene forma de anillo.
5. Un imán HTS de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores y que comprende al menos una placa (405A, 405B) que se extiende a través de uno o más de los otros devanados, el primer o el segundo elemento conductor formado integralmente con la placa o dispuesto sobre la misma.
6. Un imán HTS de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el primer o segundo elemento conductor sobresale de una cara de la placa (405A, 405B) y la placa comprende además una capa dieléctrica o eléctricamente resistiva (406A, 406B) para aislar eléctricamente la cara de la placa de la porción de uno o más de los otros devanados.
7. Un imán HTS de acuerdo con la reivindicación 6 y que comprende una capa conductora interfacial (407A, 407B) que se extiende a través de uno o más de los devanados para transferir calor y/o corriente eléctrica desde el borde de los devanados, y preferiblemente, en donde:
la capa conductora interfacial comprende un metal soldable tal como latón y/o acero inoxidable; y/o
la capa conductora interfacial se modela variando su espesor.
8. Un imán HTS de acuerdo con la reivindicación 7, en donde la bobina comprende aislamiento eléctrico (402) entre los devanados.
9. Un imán HTS de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8 y que comprende uno o más sensores y/o uno o más calentadores dispuestos entre la placa y la bobina.
10. Un imán HTS de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la superficie de contacto eléctrico del primer o del segundo elemento conductor (404A, 404B) proporciona contacto eléctrico con el devanado más interior o más exterior de la bobina (401).
11. Un imán HTS de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la superficie de contacto eléctrico del primer o del segundo elemento conductor (404A, 404B) proporciona contacto eléctrico a través de una discontinuidad en los devanados.
12. Un imán HTS de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las superficies de contacto eléctrico proporcionan contacto eléctrico a las caras opuestas de la bobina (401, 501).
13. Un imán HTS de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una o más bobinas adicionales (400A-F), teniendo la o cada bobina adicional elementos conductores para proporcionar contacto eléctrico con las caras opuestas de esa bobina, estando las bobinas apiladas axialmente y conectadas eléctricamente entre sí a través de sus elementos conductores respectivos y, preferiblemente, en donde las bobinas apiladas axialmente adyacentes están enrolladas en direcciones opuestas.
14. Un imán HTS de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende dos o más bobinas anidadas concéntricamente (601, 602), teniendo cada una elementos conductores respectivos, conectándose eléctricamente cada bobina a una bobina adyacente mediante una conexión eléctrica (705, 706) entre elementos conductores respectivos de las bobinas, y preferiblemente, en donde:
la conexión eléctrica es flexible; y/o
el imán HTS comprende uno o más soportes intermedios (607, 707) situados entre bobinas adyacentes para interceptar fuerzas radiales; y/o las cintas HTS (100) respectivas de bobinas adyacentes difieren en uno o más de: espesor; composición; anchura; y numero.
15. Un tokamak que comprende un imán HTS de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el imán HTS está configurado para proporcionar un campo magnético toroidal o un campo magnético poloidal.
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