Применение трубок из сплава ниобия-53Ti-47 в сверхпроводящих кабелях
Ключевым условием для применения трубок из сплава Nb-53Ti-47 (ниобий-53-титан-47) в сверхпроводящих кабелях является то, что бесшовные трубки из Nb53Ti47 не превосходят по качеству коммерчески доступные многожильные сверхпроводящие проводники из NbTi. В обычных сверхпроводящих кабелях для передачи электроэнергии практически никогда не используются трубки из NbTi без изоляции для передачи постоянного тока; трубки в основном используются для внутренних функциональных компонентов, каналов охлаждения, сверхпроводящих коаксиальных внутренних/внешних проводников, CICC-трубопроводов и магнитоэкранирующих цилиндров. Этот сплав имеет температуру Кюри Tc 9,2-9,6 К; Bc² ≥ 11 Тл при 4,2 К; требует термообработки при температуре около 400℃ для достижения высокого значения Jc; Отсутствие медной стабилизирующей матрицы приводит к низкой устойчивости к закалке в трубках без изоляции.
CICC является основным проводником в больших магнитах для термоядерных реакторов и ускорителей: большое количество многожильных пучков из NbTi заключено внутри металлического проводника, который затем охлаждается сверхтекучим/сверхкритическим гелием. Трубка из Nb53Ti47 служит сверхпроводящим проводником, выступая одновременно в качестве механической несущей внешней оболочки и обладая собственными сверхпроводящими свойствами. К ее преимуществам относятся высокая прочность при 4,2 К, устойчивость к термическим циклам и совместимость с жидким гелием; присущая ей сверхпроводимость снижает потери от вихревых токов в оболочке; Ограниченный ток в основном передается по внутренним многожильным проводам из NbTi, при этом проводник служит лишь вспомогательным проводником и каналом охлаждения, а не основным проводником, по которому протекает ток; зоны термического воздействия при сварке могут повредить сверхпроводимость, поэтому сварочные процессы должны строго контролироваться.
Внутренний проводник/Внешний экранирующий проводник сверхпроводящего коаксиального кабеля (исследовательский низкочастотный микроволновый коаксиальный кабель)
В сверхпроводящих коаксиальных кабелях из NbTi для исследовательских криогенных систем в качестве внутреннего сердечника или внешнего экранирующего слоя используется трубка из NbTi, а в качестве диэлектрика — пенополиэтилен (PTFE). Они используются в сильных магнитных полях до 4,2 К для передачи слабых сигналов в условиях сильных магнитных полей (квантовые устройства, криогенные детекторы). Преимущества Nb53Ti47: по сравнению с Nb50Ti, он имеет более высокое значение Bc2, сохраняя сверхпроводимость даже при магнитных полях 10-11 Тл; Трубка может быть непосредственно переработана в коаксиальный трубчатый проводник; чрезвычайно низкая теплопроводность, уменьшающая утечку тепла от комнатной температуры к криогенному концу.
Центральная охлаждающая трубка сверхпроводящих кабелей
Крупные криогенные сверхпроводящие кабели имеют полую трубку в центре, внутри которой циркулирует жидкий гелий для внутреннего охлаждения проводника. Трубка из Nb-53Ti-47 одновременно обеспечивает:
1) механический опорный каркас;
2) канал охлаждения жидким гелием;
3) сверхпроводящее магнитное экранирование (эффект Мейснера), подавляющее влияние блуждающих магнитных полей внутри кабеля на работу сверхпроводящей нити.
Основной ток по-прежнему передается по многожильному композитному проводу NbTi-Cu; трубка не является проводником основного тока. Концевые соединения сверхпроводящего кабеля и токоподводы оснащены экранирующими трубками. Магнитное поле в области клеммы кабеля является сложным; Тонкостенные трубки из сплава Nb53Ti47 действуют как сверхпроводящие магнитоэкранирующие трубки, экранируя блуждающие магнитные поля и защищая сверхпроводящие характеристики зоны соединения; они также служат каналом для криогенной среды.
Почему нельзя использовать трубки из чистого сплава Nb53Ti47 в качестве основного проводника в сверхпроводящих кабелях высокой мощности? Потому что в них отсутствует стабилизирующая медь матрица, и риск отказа из-за гашения сверхпроводимости чрезвычайно высок. Коммерческие проводники из NbTi состоят из микрочастиц, диспергированных в матрице из высокочистой меди; в случае локального отказа из-за гашения сверхпроводимости медь пропускает обходной ток, предотвращая перегорание. Однофазная трубка из NbTi, не имеющая стабилизирующей медной фазы, мгновенно перегорит в случае локального отказа из-за гашения сверхпроводимости.
Риск скачков магнитного потока значителен в объемных/толстостенных трубках из NbTi. Многожильные проволоки разделяют сверхпроводящую фазу на нити шириной в микрометры для подавления скачков магнитного потока, но эта микроструктура не может быть воспроизведена в трубках, что приводит к низкой стабильности при воздействии переменных магнитных полей. Критическая плотность тока (Jc) матрицы трубки из NbTi, даже после оптимального старения, остается ниже, чем у многожильного NbTi; Jc еще больше снижается в тонкостенных трубках. Сварка соединений представляет собой сложную задачу; сварка трубок из NbTi приводит к укрупнению закрепленной фазы α-Ti в зоне термического воздействия, что приводит к деградации сверхпроводимости; для получения высококачественных сверхпроводящих соединений с низким сопротивлением требуются сложные процессы.