Supravodiče

[Daniel Valuch]

Necitim sa uplne kvalifikovany odpovedat na vasu otazku. Kedze sa v 
nasom laboratoriu nachadza najvacsi supravodivy system na svete skusim 
odpovedat :-)

V prvom rade je mozno vhodne povedat ze predstava objednam kilometer 
supravodica, namotam z neho cievku, ponorim do helia, pustim prud a mam 
vystarano je zcestna a rovno na nu zabudnite.

Ako vyzera supravodivy kabel mozete vidiet na nasledujucich obrazkoch:

http://doc.cern.ch//archive/electronic/cern/others/PHO/photo-it/9804002.jpeg
http://cdsweb.cern.ch/search.py?of=hd&f=970__a&p=000000430MMD#begin
http://doc.cern.ch//archive/electronic/cern/others/PHO/photo-it/9208045.jpeg
http://cdsweb.cern.ch/search.py?of=hd&f=970__a&p=000002065MMD#begin

Vacsina materialu je plniaca med a samotny supravodic su len tie 
malinkate tmave bodky vo vnutri. Pre aplikaciu vo vysokom magnetickom 
poli (dipolove magnety pre LHC) je vodic vo forme pasika s rozmermi 
15x2mm, ktory obsahuje do 2mm^2 supravodica. Pracovny prud je 12kA (t.j. 
prudova hustota 6kA/mm^2), vysledne magneticke pole 8.5T.

Dalsie su len body - problemy, ktore budete musiet vyriesit alebo 
minimalne sa nimi zaoberat:

Problem s ktorym sa stretnete u supravodicov je, ze magneticke polia 
deformuju pretekajuci prud tak ze supravodic moze stratit supravodivost, 
aj ked je ochladeny pod bod supravodivosti. Daju sa k tomu najst 
materialy, su to podobne stavove diagramy ako u trojneho bodu vody, na 
osiach je potom vynesena myslim teplota-magneticke pole-prud. Pokial 
toto neosetrite supravodivy jav nevyvolate. Podla popisu odhadujem, ze 
vasa aplikacia je prave generacia silneho magnetickeho pola vo velkom 
objeme.

Problem je ako dostat vami pozadovany prud z izbovej teploty na teplotu 
supravodica. Spominate prudy 10-100kA, na strane izbovej teploty na to 
potrebujete vodic o priereze 2000-20000mm^2. Na strane supravodivej 
potom 2-5mm^2. Spocitajte si kolko tepla vam potecie cez medennu tyc 
prierezu 2000mm^2 z prostredia 300K do prostredia 4K. Do vasej 
kalkulacie takisto zapocitajte ze ucinnost chladenia na supravodivych 
teplotach je tak 0.2% (Carnotov cyklus), t.j. na vychladenie straty 1W v 
heliu potrebujete 500 (u najvacsich kompresorov) po 1000W (u mensich) na 
teplej strane.
V nasich dipolovych magnetoch je to riesene pomocou vysokoteplotneho 
supravodica, kde su privody velkeho prierezu z izbovej teploty privedene 
na medzistupen na teplote kvapalneho dusika (tam je ucinnost chladenia 
vyrazne vyssia) a z dusika to ide vysokoteplotnym supravodicom radovo 
mensieho prierezu na teplotu helia. Minuly tyzden som sem posielal fotky 
z podzemia, toroidny magnet s napajacim prudom cca. 20kA 
(http://www.balu.sk/gallery/view_album.php?set_albumName=album10 cievky 
su v tych rurach s oranzovymi vyhrievacimi pasikmi).

Problem "napustenia" cievky energiou. Spocitajte si kolko energie bude 
ulozenej v cievke o indukcnosti desiatok H pri prude 100kA (priklad 
vezmime L=10H a I=10kA, E=1/2*L*I^2=500MJ). Tuto energiu do nej musite 
dostat a tuto energiu musite z nej dostat. Indukovane napatie na cievke 
je umerne dI/dt, medzizavitova izolacia supravodiveho materialu vydrzi 
tak desiatky V, takze si zratajte maximalne dovolene indukovane napatie 
a z toho cas kolko budete takuto cievku zapinat. Takisto aky prikon 
budete odoberat zo siete. Vyjdu vam hodiny az dni.

Problem nahlej straty supravodivosti. V predchadzajucom bode ste 
spocitali kolko energie bude v cievke ulozenej. Supravodic ale moze v 
dosledku nahodnych javov (prelet vysokoenergetickej castice, 
mikrodefekt) alebo zlyhania chladenia (musi byt dokonale obtekany 
chladiacou He kvapalinou) nahle stratit supravodivost. Z tohoto bodu sa 
potom tato strata supravodivosti siri ako rakovina rychlostou jednotiek 
az desiatok cm/s az sa cela cievka stane normalne vodiva. Pripominam ze 
v nej mate stale ulozenych vasich 500MJ energie. Riesienie - rychly 
"quench" system, ktory v priebehu stoviek ms ohreje celu hmotu cievky 
nad supravodivu teplotu a extrahuje z nej vsetku energiu. Inak by 
vplyvom vlastnej energie explodovala. V nasich dipolovych magnetoch je 
to riesene spinacim prvkom a rezistorom, ktory sedi priamo v heliu a 
vyprazdni cele vinutie do pripojeneho patricne dimenzovaneho rezistora s 
casovou konstantou stovky ms. Tento jav sprevadza uvolnenie vsetkeho 
chladiaceho helia v plynnej forme. Plyn ma ale radovo vyssi objem ako 
kvapalina comu treba prisposobit mechanicku konstrukciu a zabezpecit 
dostatocne vykonny vyhrievany vyfuk, inak vam pocas vyronu zamrzne upcha 
sa a exploduje.

Problem tepelnej izolacie. Ako som uz spominal chladenie na heliovych 
teplotach je velmi energeticky narocne, preto treba konstrukciu tomu 
prisposobit. Opatrenia pozostavaju z minimalizacie prierezu spojujuceho 
izbove prostredie a studene prostredie (napriklad specialne kompozitne 
materialy), pouzitie izolacneho vakua, pouzitie tzv. superizolacie, 
ktora zamedzuje ohrievaniu vnutorneho prostredia infra ziarenim z 
vonkajsieho plasta cievky. Samotna cievka je samozrejme uzavreta aj s 
jej chladiacim heliom v samostatnej nerezovej komore. Nezabudnite ze 
dI/dt indukuje virive prudy vo vasej nerezovej komore :-)

Problem chladenia helia. Pre spominane objemy/prudy/rozmery neprichadza 
do uvahy otvoreny obvod kde budete liat kvapalne He, ale potrebujete 
chladiace zariadenie (liter helia stoji tusim okolo 400 korun, opravte ma).

Skor ako by som hladal nejake firmy, ktore vam ten kabel na objednavku 
vyrobia (nam robili do dipolov tusim 1500km) som pripomenul par veci s 
ktorymi sa stretnete ked by ste nieco taketo isli robit. Nasa sekcia je 
len uzivatel supravodiveho systemu, takze vsetky presne detaily 
neovladam. Toto bol len popis niektorych vseobecne znamych problemov, 
lebo touto problematikou sa nezaoberam. Keby ste sa tomu zacali 
vaznejsie venovat dostanete sa k tomu ze problem cievok vasich rozmerov 
s prudmi 10-100kA riesilo napriklad len pre nas niekolko stoviek 
inzinierov z celeho sveta s rozpoctom niekolko stoviek milionov eur.

balu





Pavel Hudecek wrote:

>Dobrý den,
>
>Předpokládejme supravodivou toroidní cívku s malou střední délkou siločáry
>a velkým průřezem, indukčnost řádu H, až desítek H, proud 10-100 kA,
>chlazení kapalným He.
>
>Kde a za kolik něco takového nechat vyrobit?
>
>Nebo jinak:
>
>Kolik stojí km vodiče vhodného pro daný účel?
>Jaký bude mít průřez včetně nosného materiálu?
>
>Děkuji, PH 
>  
>