Компания HTS-110, обладая многолетним опытом в области исследований и разработок высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), помогает разработчикам термоядерных установок решать сложные задачи, связанные с созданием сильных магнитных полей, и сокращать сроки разработки.
В прошлом коммерческий термоядерный синтез был прерогативой крупных государственных программ, таких как ITER, или экспериментов в национальных лабораториях. Однако за последнее десятилетие ситуация изменилась. Более половины новых проектов в области термоядерного синтеза используют магнитное удержание плазмы (будь то токамаки, стеллараторы или другие концепции), и значительная часть этих проектов считает приоритетной задачей создание надежных систем с сильным магнитным полем. Эта трансформация совпадает с глобальной электрификацией, ростом венчурных инвестиций и необходимостью достижения климатических целей – все это стимулирует спрос на безуглеродную энергетику. Высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) магниты стали ключом к обеспечению жизнеспособности термоядерного синтеза в ближайшей перспективе.
Изначально HTS-110 не создавалась для обслуживания этого бума термоядерного синтеза. Компания выросла из новаторских исследований Новой Зеландии в области купратных сверхпроводников, включая Bi-2223, материал, который лег в основу первого поколения высокотемпературных сверхпроводящих лент. Основанная в 2004 году команда решала сложные промышленные задачи и задачи, связанные с пучками частиц, поставляя легкие генераторы, катушки для тральщиков мин и магнитные системы для рентгеновского или нейтронного рассеяния. Эти ранние проекты доказали, что ВТСП могут превосходить лабораторные прототипы, обеспечивая стабильные поля без жидкого гелия. Когда разработчики термоядерных установок начали искать более сильные и термостойкие магниты для работы в диапазоне 10-20 Тесла, HTS-110 оказалась на передовой – благодаря собственным возможностям проектирования, реальному опыту производства магнитов и глубокому пониманию самого проводника.
История HTS-110 берет начало в бывшем Департаменте научных и промышленных исследований (DSIR). Там доктора Боб Бакли и Джефф Тэллон идентифицировали структуру Bi-2223, что привело к коммерческому производству ВТСП-лент. К 2007 году компания поставила 5-тесловый соленоид с расщепленной парой для Берлинского электронного синхротрона – один из первых безкриогенных ВТСП-магнитов в рентгеновском канале, – а затем 5-тесловую расщепленную пару для Австралийской организации ядерной науки и технологий (ANSTO). Благодаря катушкам униполярного двигателя, нестандартным прототипам магнитов и приложениям для хранения энергии, компания накопила глубокий практический опыт в области ВТСП, объединив электромагнитное моделирование, интеграцию криостатов и механическое армирование.
Когда разработчики термоядерных установок нового поколения осознали потенциал ВТСП для достижения более высоких полей при более доступных температурах, чем у низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), им понадобились магниты, которые можно было бы масштабировать, сохраняя при этом надежность. HTS-110, адаптируясь к более высоким целевым показателям поля и большим объемам производства, естественным образом перешла в эту новую область.
Критически важной проблемой в сверхпроводящих магнитах, особенно для термоядерного синтеза, является квенч. В НТСП скорость распространения квенча относительно высока; если магнит хорошо спроектирован, выделение энергии быстро распространяется по всей катушке, позволяя ей пережить такое событие. В отличие от этого, ВТСП демонстрирует низкую скорость распространения квенча: любой локализованный переход в резистивное состояние рискует привести к выделению энергии в небольшой области, что может привести к необратимому повреждению катушки.
К счастью, ВТСП-проводники также обладают очень высокой термической стабильностью, что значительно снижает вероятность их квенча в нормальных условиях и дает больше времени для обнаружения развивающегося квенча и отключения магнита до того, как произойдет повреждение. HTS-110 встраивает в свои конструкции магнитов непрерывный мониторинг – контроль температуры катушки и напряжения, – гарантируя, что работа остается в безопасных пределах. Эта синергия низкой вероятности квенча и надежного обнаружения может быть применена к усовершенствованным термоядерным магнитам, где запасенная энергия может быть огромной, а надежность имеет первостепенное значение.
Хотя ВТСП часто исключает или уменьшает использование гелия за счет работы при более высоких температурах (20–30 К вместо ~4 К), некоторые магниты все еще полагаются на гелий для частичного охлаждения или начального охлаждения. В условиях, когда мировой рынок сталкивается с дефицитом гелия и связанной с этим нестабильностью цен, безкриогенные или малогелиевые системы становятся все более привлекательными. Конструкции HTS-110 включают токовводы CryoSaver™, резко снижающие потери на проводимость, и надежные криокулеры, помогающие программам термоядерного синтеза снизить риски, связанные с поставками гелия, и упростить эксплуатацию на месте.
Большая часть способности HTS-110 удовлетворять потребности коммерческого термоядерного синтеза обусловлена собственными исследованиями и разработками, в ходе которых были усовершенствованы намотка катушек, квалификация проводников, криогенная интеграция и быстродействующие магниты. Со временем эти знания были объединены в четыре интегрированные линейки продуктов, которые помогают новым участникам термоядерного синтеза избежать многолетних проб и ошибок:
SuperCurrent™ – контроль качества проволоки. Многие процессы контроля качества полагаются на жидкий азот (~77 К) при почти нулевых полях, маскируя дефекты или поведение, которые актуальны при ~20 К и 10–20 Тл — именно там, где должно работать большинство термоядерных магнитов. SuperCurrent был разработан Исследовательским институтом Робинсона для измерения критического тока (Ic) в реальных условиях. Используемый производителями проволоки и такими организациями, как Commonwealth Fusion Systems, он гарантирует, что большие партии проволоки соответствуют строгим спецификациям, снижая риски выхода катушек из строя.
CryoSaver™ – эффективные токовводы. Передача тока в криогенную среду может привести к потерям энергии и усложнить охлаждение. Токовводы CryoSaver, используемые в более чем 2000 установок по всему миру, сокращают потери на проводимость до 90%, снижая потребности в охлаждении и ускоряя ввод в эксплуатацию как термоядерных, так и промышленных магнитов. Номинальные значения от 150 А до 3 кА и выше делают их универсальными для различных применений.
Катушки ВТСП на заказ: CryoForge™. В основе всех магнитов лежат стабильные катушки, что побудило HTS-110 усовершенствовать механическое армирование, защиту от квенча и геометрию катушек. Результатом является CryoForge, семейство модулей катушек, которые теперь могут использоваться для неплоских или сложных форм, а также для стандартных круглых и ипподромных конструкций. В настоящее время основное внимание уделяется компактным и эффективным катушкам для прототипов, но в будущем эти модули могут быть масштабированы до более крупных термоядерных магнитов в усовершенствованных реакторных концепциях.
Быстродействующие и сильнополевые подходы. Некоторые магниты должны быстро переключаться между различными полярностями поля. Магнит MOKE (магнитооптический эффект Керра) с напряженностью поля 7 Тл совершает полный четырехквадрантный цикл менее чем за 60 секунд в непрерывном режиме работы, демонстрируя способность ВТСП к быстрым изменениям поля. Эти магниты широко используются в промышленной разработке и квалификации новых носителей информации, где высокая напряженность поля, высокая пропускная способность и высокая надежность являются неотъемлемыми требованиями. Разработка быстродействующих магнитов опиралась на значительный объем исследований, проведенных в HTS-110 для понимания, прогнозирования и управления электрическими потерями в ВТСП-катушках в течение цикла, глубокое понимание которых в настоящее время используется во многих новых конструкциях магнитов. Хотя центральные соленоиды в больших токамаках переключаются еще быстрее (например, от +25 Тл до -25 Тл за ~10 секунд), опыт HTS-110 с быстродействующими магнитами может быть полезен для меньших катушек управления или компенсации, где динамические регулировки поля важны, но не соответствуют экстремальным требованиям соленоида.
Ранние ВТСП-ленты основывались на Bi-2223, который был незаменим для первых коммерческих магнитов. Однако современные конструкции термоядерного синтеза все чаще обращаются к ReBCO (оксиду редкоземельного бария и меди) из-за его более высокой плотности тока в поле, превосходной механической прочности и способности работать при повышенных температурах с отличными характеристиками. Многочисленные производители по всему миру наращивают производство ReBCO для удовлетворения растущего спроса, что делает его конкурентоспособным по стоимости вариантом для следующего поколения термоядерных катушек. HTS-110 включает ленты ReBCO в конструкции, где важны более высокие пороговые значения поля и меньшие размеры катушек, что еще больше подчеркивает акцент на надежных и технологичных решениях для усовершенствованных реакторов.
HTS-110 не использует платформу SuperCurrent™ самостоятельно, но тесно сотрудничает с поставщиками проволоки, многие из которых полагаются на эту измерительную систему для получения точных данных о критическом токе. Эта синергия позволяет компании легко интегрировать ленты ReBCO или Bi-2223, корректируя конструкции катушек по мере появления новых вариантов проводников. Благодаря учету реальных характеристик проволоки, HTS-110 соблюдает сжатые сроки реализации проектов без ущерба для надежности – решающий фактор при создании магнитов для требовательных к производительности термоядерных установок.
Каждый термоядерный магнит ставит уникальные задачи в области геометрии, температурных запасов и механического армирования. HTS-110 решает эти задачи с помощью систематического, комплексного подхода, который начинается с детального проектного исследования, охватывающего электромагнитные поля, тепловое моделирование и защиту от квенча, и продолжается намоткой катушек, сборкой и строгой проверкой. За прошедшие годы HTS-110 доказала свою состоятельность, поставив магниты для пучковых линий, униполярных двигателей и нейтронного рассеяния; компания понимает, как масштабировать прототипы в последовательные, воспроизводимые системы. Для коммерческого термоядерного синтеза это означает единый центр ответственности – проектирование, производство и испытания – все под одной крышей, сбалансированное с эффективностью стандартизированной линейки продуктов.
HTS-110 приглашает к сотрудничеству всех, кому нужны сильнополевые магниты, усовершенствованные модули катушек или просто экспертные рекомендации. Собственные исследования и разработки, инженерный опыт и успешные коммерческие поставки позволят поддержать дорожную карту термоядерного синтеза – от первой демонстрации до получения чистой энергии.
+ There are no comments
Add yours