Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем - Альтов В.А.
Скачать (прямая ссылка):
системы обеспечивают дополнительные преимущества по сравнению с обычными
системами. Например, компактность сверхпроводящих магнитных систем
позволяет получать магнитное поле со значительно более высоким градиентом
индукции, чем в случае обычных систем. Это обстоятельство весьма важно,
например, для исследования элементарных частиц с малым временем жизни [Л.
1-6].
Кроме обычных и сверхпроводящих магнитных систем, могут быть созданы
криогенные (или 'Криорезистив'ные) магнитные системы, обмотки которых,
выполненные из особо чистых металлов (медь, алюминий1, натрий), работают
при температурах около 20 К- При этих температурах удельное электрическое
-сопротивление названных веществ снижается по сравнению с сопротивлением
при комнатной температуре примерно _на два-три порядка и соответственно
снижа-
1 Алюминий является сверхпроводником, но его критическая температура
весьма низка (Гс=1,2 К), поэтому при водородных температурах он ведет
себя как нормальный металл.
7
юте я джо у левы потери и обмотке. Это обеспечивает криогенным магнитным
системам заметные преимущества по сравнению с обычными электромагнитами с
точки зрения затрат электроэнергии на собственные нужды. Однако по
сравнению со сверхпроводящими магнитными системами у криогенных систем
затраты на собственные нужды все же" минимум, на порядок выше [Л. 1-7].
Естественно, что при решении вопроса о целесообразности применения
магнитных систем того или иного типа следует учитывать не только
преимущества в затратах энергии ла собственные нужды, необходим анализ
капитальных затрат и амортизационной составляющей ежегодных затрат.
Расчет суммарных годовых затрат на эксплуатацию магнитных систем
различных типов (обычных, криогенных, сверхпроводящих) показывает, что
при плотностях тока в обмотке выше 104 А/см2 сверхпроводящие магнитные
системы экономически выгоднее систем любых других типов [Л. 1-8].
Одним из важных направлений в настоящее время является создание
сверхпроводящих магнитных систем для установок прямого преобразования
тепла в электроэнергию с помощью магнитогидродинамических (МГД)
генераторов.
К настоящему времени установлено, что энергетические МГД-установки
тепловых электростанций будут экономически эффективными лишь в случае,
если для создания магнитного поля в МГД-тенераторе будут использованы
сверхпроводящие магнитные системы. Помимо значительно меньших
массогабаритных показателей и ничтожных затрат электроэнергии на
собственные нужды, сверхпроводящие магнитные системы МГД-генерато-ра по
сравнению с обычными магнитными системами обладают еще одним важнейшим
преимуществом: как уже отмечалось, сверхпроводящие системы позволяют
получать значительно более сильные магнитные поля. Поскольку длина канала
МГД-генератора, как известно, обратно пропорциональна квадрату индукции
магнитного поля в генераторе, то очевидно, что увеличение индукции
приведет к уменьшению габаритов генераторов. Повышение индукции
Магнитного поля до 4 Т позволяет в 4 раза сократить длину канала МГД-
генератора (по сравнению с длиной канала в случае использования обычной
магнитной системы). Следует заметить, что с уменьшением длины канала
уменьшаются и тепловые потери через его стенки.
В последние годы в различных странах ведутся интенсивные научно-
исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на
создание сверхпроводящих магнитных систем для МГД-генераторов,
8
Сверхпроводящие магнитные системы различных типов находят все более
широкое применение в экспериментальной ядерной физике. Крупные
сверхпроводящие соленоиды используются в качестве магнитов для
пузырьковых камер, ускорителей элементарных частиц, плазменных ловушек,
применяемых при термоядерных исследованиях.
Весьма перспективно использование сверхпроводящих отклоняющих и
фокусирующих магнитных систем в ускорителях элементарных частиц. При
обычном исполнении такие системы нуждаются в очень больших затратах
энергии на собственные нужды. Высокие значения индукции магнитного поля в
сочетании с возможностью получения больших градиентов поля позволяют
резко сократить расстояния, на которых осуществляется фокусировка пучка.
В электромашиностроении несомненно перспективны сверхпроводящие обмотки
для мощных генераторов и двигателей. Как известно, для современного
электрогене-раторостроения характерна тенденция роста мощностей в
единичном агрегате (на сегодняшний день до 1000 МВт); вместе с тем вряд
ли можно ожидать сколь-нибудь существенного дальнейшего увеличения
единичных мощностей генераторов обычных типов (со сталью и медными
обмотками). Проблема создания генераторов (и электродвигателей) больших
мощностей может быть решена путем использования сверхпроводящих обмоток.
В самом деле, мощность электрической машины, как известно,
пропорциональна магнитной индукции в рабочей области и плотности тока в
якоре. Эти параметры могут быть существенно увеличены при использовании
сверхпроводников. При индукции поля порядка 6-7 Т и плотности тока в
