Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем - Альтов В.А.
Скачать (прямая ссылка):
0,0065 с. При критическом токе 12 А, когда запасенная энергия составляет
53 Дж, Uмакс достигает 2000 В, а И7Макс превышает 14 кВт. Из сказанного
видно, что даже для небольшого соленоида мощность тепловыделения,
сконцентрированного на сравнительно небольшом участке обмотки, и
перенапряжение на концах нормального участка достигают угрожающе больших
величин. В более крупных соленоидах, с запасенной энергией порядка
десятков килоджоулей, эти величины становятся значительно большими.
Понятно, что для таких систем неконтролируемый переход в нормальное
состояние .может привести к разрушению обмотки. Поэтому сверхпроводящие
магнитные системы с большой запасенной отершей обычно не сооружаются без
выполнения комплекса мероприятий, предотвращающих иестабилизированный
переход в нормальное состояние.
В-третьих, джоулево тепло, выделяющееся в процессе перехода системы в
нормальное состояние, усваивается жидким гелием, заполняющим криостат
магнитной системы. Как известно, жидкий гелий имеет чрезвычайно малую
теплоту парообразования г: при атмосферном давлении г=20,6 кДж/кг=2,68
кДж/л 1. Следовательно, усвоение жидким гелием одного килоджоуля приводит
к испарению 0,374 л гелия. Отсюда очевидно, что в результате выделения
джоулева тепла в криостате в процессе перехода происходит интенсивное
испарение гелия. В случае, если при этом не обеспечен отвод из криостата
всего испаряющегося гелия, давление в криостате начинает повышаться, а
поскольку теплота парообразования уменьшается с ростом давления (рис. 3-
2), то при той же скорости тепловыделения интенсивность испарения гелия
еще более возрастает. Если не обеспечен отвод паров, то аварийное
повышение давления в криоста-
1 Напомним для сравнения, что теплота парообразования воды при
атмосферном давлении составляет 2256,7 кДж/кг=2162,6 кДж/л.
47
те может привести к его взрыву. Следует также иметь в виду, что при
определенном, критическом, перепаде давлений между криостатом и сборной
емкостью скорость истечения паров гелия из криостата достигает местной
скорости звука в парах гелия и происходит запирание отводного патрубка.
Дальнейшее увеличение давления в криостате не приводит к увеличению
расхода
паров через патрубок [JL 3-3]. В .результате давление в крио-стате
начинает быстро нарастать, что также может привести к его взрыву.
Таким образом, неконтролируемый процесс перехода сверхпроводящей
магнитной системы в нормальное состояние чреват серьезной аварией,
которая может привести к частичному или полному разрушению дорогостоящего
объекта. Из сказанного очевидна необходимость разработки эффективных
методов защиты сверхпроводящих магнитных систем в случае их аварийного
перехода в нормальное состояние. Если не удается предотвратить переход
сверхпроводящей обмотки в нормальное состояние, защита должна
преследовать три основные цели:
1) уменьшение величины перенапряжения на участке обмотки, перешедшем в
нормальное состояние, для предотвращения пробоя межвитковой изоляции;
2) уменьшение доли запасенной энергии, выделяющейся на участке обмотки,
перешедшем в нормальное состояние, для предотвращения пережога обмотки;
3) уменьшение доли запасенной энергии, выделяющейся внутри криостата, для
предотвращения испарения больших количеств гелия.
К настоящему времени известно несколько методов защиты сверхпроводящих
магнитных систем.
3-2. ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ МЕТОД
Трансформаторный метод применяется как для сверхпроводящих систем,
работающих в режиме "замороженного тока", т. е. с отключенным от системы
внешним источником питания, так и для систем, непосредственно 'Ч 8
нДж/кг
Рис. 3-2. Зависимость теплоты парообразования гелия от давления.
присоединенных к внешнему источнику питания. Защита реализуется с помощью
вторичного контура из нормального металла, индуктивно связанного со
сверхпроводящей обмоткой.
Следует отметить, что в реальных конструкциях сверхпроводящая обмотка
практически всегда индуктивно связана с различными вторичными контурами,
роль которых могут играть металлические стенки криостата, металлический
каркас обмотки, шунтирующая подложка
Рис. 3-3. Схемы включения защитной обмотки. I - сверхпроводящая обмотка;
2 - защитная обмотка.
из нормального металла и т. д. Коэффициент магнитной связи между
первичным (сверхпроводящим) и вторичным (нормальным) контурами
определяется известным соотношением
к=м1й1УТТ2, (3-1)
где Ма-взаимная индуктивность между первичным и вторичным контурами, a L|
и - индуктивности этих контуров. Если контуры намотаны бифилярно, то в
первом приближении можно считать, что Mi2=Li=Lz и, следовательно, k-\.
Эксперименты с бифилярно намотанными сверхпроводящим и нормальным
соленоидами [JI. 3-4-З-б] позволили установить основные качественные
закономерности переходных процессов при различных схемах включения
вторичного нормального контура.
Возможны три схемы включения защитной обмотки: а) обмотка разомкнута
(рис. 3-3,о); б) обмотка замкнута накоротко (рис. 3-3,6); в) обмотка
