CC BY
20
УДК 621.039.633
О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ БЕСКОНТАКТНОЙ ДОСТАВКИ КРИОГЕННЫХ ТЕРМОЯДЕРНЫХ МИШЕНЕЙ В РЕАКТОР ИТС
И. В. Александрова1, А. А. Акунец1, П. И. Безотосный1, И. С. Блохин1, С.Ю. Гаврилкин1, О.М. Иваненко1, Е. Р. Корешева1'2, Е.Л. Кошелев1,
К. В. Мицен1, Л. В. Панина3
Предложено использовать явление квантовой левитации ВТСП в магнитных полях различной конфигурации для создания системы бесконтактного позиционирования и транспорта криогенных топливных мишеней в фокус мощной лазерной установки или реактора ИТС. Представлены результаты большого цикла экспериментальных исследований с использованием сверхпроводящей керамики YBa2Cu3O7-x и PMG-направляющих из различных комбинаций постоянных магнитов для построения устройства доставки типа КТМ-МАГЛЕВ".
Ключевые слова: криогенная топливная мишень, бесконтактная доставка, высокотемпературные сверхпроводники, направляющая PMG-система (permanent magnet guideway).
Введение. Формирование и доставка криогенных топливных мишеней (КТМ) с высокой частотой является непременным условием построения фабрики мишеней для обеспечения работы реактора инерциального термоядерного синтеза (ИТС) [1].
Особенность процесса доставки заключается в требованиях на частотность доставки (1-10 Гц), точность доставки (± 20 мкм) и температурный режим доставки. Криогенная топливная мишень (полая полимерная оболочка со сферическим слоем водородного
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: ivaaleks@gmail.ru.
2 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31; e-mail: elena.koresheva@gmail.com.
3 Национальный исследовательский технологический университет МИСиС, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, д.4; e-mail: L.Panina@plymouth.ac.uk.
топлива на ее внутренней поверхности, рис. 1(а)) должна иметь в момент облучения лазером температуру не выше 18.5 К. При этом температура стенки самой реакторной камеры может достигать значительных величин. Так, например, для камеры реактора SOMBRERO указанная величина составляет 1758 K [2]. Кроме того, на стадии ускорения в инжекторе перегрузки на КТМ могут составлять от 500 g до 1000 g. Именно поэтому ее движение осуществляется в специальном цилиндрическом носителе - саботе (рис. 1(б)), который передает импульс движения на КТМ при ее ускорении до требуемых скоростей инжекции (~400 м/с). Однако при этом выделяется тепло из-за трения сабота
0 стенку направляющей трубки инжектора. Чтобы исключить этот источник разрушения топливного слоя, было предложено использовать в качестве носителя КТМ сабот из сверхпроводника, что исключает его касание с направляющей трубкой инжектора. Таким образом, создание системы бесконтактного позиционирования и транспорта КТМ представляет собой одну из важнейших задач в общей программе ИТС. Поскольку температура КТМ в момент облучения лазером должна быть ~18.5 К, то сверхпроводники
1 рода (низкотемпературные, с температурами перехода в сверхпроводящее состояние Tq < 9 К) не подходят для решения поставленной задачи.
Рис. 1: Криогенная топливная мишень (КТМ) и сборка ансамбля "КТМ + САБОТ".
Предварительные исследования, проведенные в ФИАН с использованием сверхпроводников II рода, т.е. высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), подтвердили плодотворность этого подхода [3]. В данной работе представлены результаты новой серии экспериментов по магнитной левитации (МАГЛЕВ) образцов из сверхпроводящей керамики на основе УБа2Си307-ж.
Технология изготовления таблеток и порошков из ВТСП на основе сверхпроводящей керамики УВа2Си307-х. Подложки из ВТСП были изготовлены на основе сверхпроводящей керамики в Лаборатории Сверхпроводимости ФИАН. Сверхпроводящая
керамика УБа2Си307-ж с температурой сверхпроводящего перехода Тс = 91 К была приготовлена методом твердофазных реакций. Значения нижнего и верхнего критических полей соответственно равны ^0Нс1 = 3 мТл при Т =17 К и ^0Нс2 > 45 Тл при 0 К, ^о - магнитная проницаемость вакуума (рис. 2). Значение Нс 1 определялось по отклонению полевой зависимости магнитного момента от линейной. Величина верхнего критического поля Нс2 определялась по формуле Вертхамера-Хоенберга [4].
Рис. 2: Параметры сверхпроводящей керамики (ФИАН): (а) магнитный момент образца в зависимости от магнитного поля при температуре T = 17 K; (б) магнитная восприимчивость в зависимости от температуры для различных значений внешнего магнитного поля H = 0,1, 2,4, 6, 8 Тл.
Измерения электрических и магнитных свойств ВТСП-образцов проводились с помощью имеющегося в ФИАН многофункционального автоматизированного измерительного комплекса PPMS-9 (фирма Quantum Design). В комплексе предусмотрены опции, которые позволяют измерять магнитный момент как в статическом, так и в динамическом режимах. Точность измерений магнитного момента 2.5 • 10-5 emu. Максимальное значение магнитного поля достигает 9 Тл при однородности поля в области образца не хуже 0.01%. Интервал температур, доступных при измерениях, составляет 0.35-400 К при точности поддержания температуры не хуже 0.01 K.
Сверхпроводящие таблетки из УВа2Си307-ж керамики (везде далее У123-таблетки) использовались в качестве носителей для полимерных (CH) оболочек. Таблетки моделировали поведение сабота в магнитных полях различной конфигурации. Для получения сверхпроводящего порошка уже приготовленную У123-таблетку размалывали, растирали и отжигали в атмосфере кислорода при 440 °С. После окончания этой процедуры из печи вынимали порошок, который затем использовался в опытах по левитации для
создания сверхпроводящего У123-покрытия на внешней поверхности СН-оболочек.
Экспериментальное моделирование и обсуждение результатов. Цель проводимых исследований - генерировать различные режимы левитации ВТСП-образцов для тестирования условий, которые могут быть использованы в системах позиционирования и транспорта КТМ на основе эффекта квантовой левитации. Отметим, что ВТСП-материалы позволяют работать в двух направлениях: непрямая доставка, когда КТМ предварительно размещается внутри сабота, и прямая доставка, когда КТМ движется самостоятельно без какого-либо носителя.
Рис. 3: Стабилизация положения ВТСП-объекта в заданной точке пространства: (а) СН-оболочка с Y123>-покрытием; ((б), (в)) CH-оболочка (0 ~ 2 мм), размещенная на У123-подложке.
На рис. 3(а) показана свободная левитация CH-оболочки без использования какого-либо носителя. Для ее реализации на внешнюю поверхность оболочки было нанесено сверхпроводящее покрытие, так называемый У123-слой. Оно представляет собой композит из вязкого полимера со встроенными микрочастицами из сверхпроводящей керамики размером от 10 до 50 мкм [3].
Реализация непрямой доставки предполагает разработку специального носителя мишени - сверхпроводящего сабота. Результаты моделирующих экспериментов представлены на рис. 3((б), (в)), которые демонстрируют стабилизацию положения ВТСП-объекта в виде CH-оболочки, размещенной на сверхпроводящей подложке. Диаметр оболочки 0 ~ 2 мм соответствует базовой мишени класса HiPER (High Power laser Energy Research) [5], предназначенной для проведения экспериментов на первой в мире частотной лазерной установке (E = 200 кДж), строящейся сейчас в Европе. Ее работа потребует формирования и доставки КТМ ударного поджига с частотой v > 1 Гц. Отметим, что первые исследования в этом направлении выполнены в работе [3], в которой в широком диапазоне температур (T = 6 — 80 К) детально изучена стабильность левитации У123-образцов различной геометрии. При этом схожие результаты были получены
во всем диапазоне температур от 6 до 80 К, что дает возможность проведения экспериментов по движению сабота вблизи 80 К, т.е. в условиях азотной (температура кипения жидкого азота T^e = 77 К), а не гелиевой (Тне = 4.2 К) криогеники, что значительно дешевле.
В настоящей работе мы переходим к изучению транспорта левитирующих образцов, моделирующих движение сабота: (а) в виде свободной У123-подложки, и (б) CH-оболочки, размещенной на У123-подложке (У123 + CH). Движение осуществлялось в магнитных полях различной конфигурации, формируемых с помощью постоянных магнитов (табл. 1), задающих направление движения У123-образцов (в литературе принято обозначение - permanent magnet guideway (PMG) системы). В наших экспериментах использовались неодимовые магниты без покрытия с аксиальным намагничиванием (Фирма МИДОРА). В качестве магнитопроводов использовались вставки из магнитомягкого ферромагнетика.
Т а б л и ц а 1
Магниты, использованные в экспериментах: неодимовые магниты без покрытия с аксиальным намагничиванием (поставки через фирму МИДОРА)
№ Форма и размеры В( Тл) Вес Применение
магнитов* min max (г) (экспер.)
1 Диск (1 шт): ОО = 15 мм, 1 = 5 мм, Ю = 6 мм, к = 3 мм 0.20 0.25 6.6 PMG-1
2 Параллелепипед (4 шт): 1 = 10 мм, 1 = 5 мм, 5 = 10 мм 0.28 0.30 7.5 PMG-2
3 Параллелепипед (3 шт): 1 = 120 мм, 1 = 4 мм, 5 =18 мм 0.28 0.30 28 PMG-3
4 Кольцо (1 шт): ОО = 100 мм, Ю = 50 мм, 1 = 5 мм 0.13 0.25 218 PMG-4
* Примечание: сплав ЫёРеБ (спеченный), 1 - толщина, к - глубина, I - длина, 5 -ширина.
Измерения поля РМО-систем проводилось с помощью магнитометра, изготовленного в ФИАН на основе датчика Холла типа ДХК-0.5А с чувствительностью 280 мВ/Тл. Диапазон измеряемого поля ±1 Тл, погрешность измерений ± 0.005 Тл, точность положения чувствительного элемента 0.1 мм.
Проведенная серия экспериментов включала несколько этапов по разработке РМО-систем для стабилизации движения в интересующих нас случаях: (1) устойчивая (стабильная) левитация У123-образца в заданной точке пространства, как частный случай движения, когда его скорость V = 0; (2) линейное движение У123-образца в заданной области пространства; (3) круговое движение У123-образца в заданной области пространства.
Реализация устойчивой левитации У123-образцов в заданной точке пространства (см., напр., рис. 3) обусловлена определенными свойствами ВТСП-материалов, относящимися к сверхпроводникам II рода, которые демонстрируют неполный эффект Мейс-нера с частичным вытеснением поля. Поле выталкивается полностью лишь тогда, когда внешнее магнитное поле не превосходит нижнего критического значения, которое в нашем случае для сверхпроводящей керамики составляет 3 мТл.
При больших полях магнитный поток начинает проникать внутрь образца, который, однако, продолжает сохранять сверхпроводящие свойства, пока поле не достигнет верхнего критического значения Нс2. Таким образом, при повышении напряженности магнитного поля выше Нс1 сверхпроводник II рода "находит возможность" впустить поле внутрь, как бы "вморозить" его (пиннинг эффект), одновременно сохраняя сверхпроводимость. Магниты, использованные в наших экспериментах, создавали поля ^0Н > 0.13 Тл > ^0Нс1 (см. табл. 1), т.е. в У123-образцах осуществлялся захват магнитного потока и стабилизация их положения, причем достигаемый эффект не зависел от исходного положения образца (сравните рис. 3(б) и 3(в)).
Переход от стабильного подвеса У123-образца в заданной точке пространства к его движению осуществляется за счет изменения конфигурации РМО-системы. На рис. 4(а) показано линейное движение СН-оболочки (0 ~ 2 мм), размещенной на У123-подложке, моделирующей сабот. В этом случае РМО состоит из 4-х стандартных прямоугольных магнитов (В ~ 0.4 Тл, габариты 10 х 9 х 5 мм3) с ферромагнитной вставкой, причем вся конфигурация размещена на пластине из магнитомягкого железа (электротехническая сталь толщиной 0.5 мм). Вставка выполнена в виде шпильки типа ВШ 976-1 с метрической полной резьбой (формат М6, 0 = 6 мм, длина I = 30 мм, шаг и глубина резьбы 1 мм). Материал шпильки - электротехническая сталь со следующими характеристиками: начальная относительная проницаемость = 600, максимальная ^тах = 15000, коэрцитивная сила Н = 0.35 Э.
Конечно, КТМ может находиться внутри сабота (рис. 1(б)) более значительных размеров, чем ее собственные. Для моделирования этого случая был использован массив-
Рис. 4: Простейшие ГИО-системы, позволяющие реализовать движение сверхпроводящих ВТСП-образцов: (а) система ГИС-2 из 4-х постоянных магнитов с винтовой ферромагнитной вставкой, размещенных на пластине из магнитомягкого железа; (б) система ГИС-3 (схема на рис. 5(б)).
ный У123-образец с габаритным линейным размером ~8 мм (рис. 4(б)).
Простое линейное движение не единственный способ транспорта сверхпроводящих образцов, который представляет интерес для построения устройства доставки типа "МАГЛЕВ".
Рис. 5: Образец из ВТСП (а) совершает колебания над ферромагнитной пластиной, входящей в систему ГИС-3 (конфигурация системы дана на рис. 5 (б), вертикальная ось X нормальна плоскости ХУ).
На рис. 5(а) показано линейное движение У123-образца (0 ~ 2 мм), повторяющееся в ограниченном пространстве (т. н. сверхпроводящий маятник). Композиция направляющей системы РМО-3 дана на рис. 5(б). Движение реализуется как колебания
\
0.4
В,Т
0.3
z=о
0.2
0.1
-20 -10 0 10 20 X, mm
Рис. 6: Распределение магнитного поля для системы PMG-3 (сверхпроводящий маятник).
У123-маятника в магнитной ловушке, ограничивающей его движение. Это означает, что при уменьшении линейных размеров PMG-системы можно ограничить движение Y123-образца в так называемом "тугом пространстве" (tight space), что крайне перспективно для коррекции траектории КТМ при построении инжектора с заданными характеристиками точности. Распределение магнитного поля для системы PMG-3 показано на рис. 6. Распределение поля по оси Z очевидно из построения системы PMG-3 (рис. 5): вертикальная компонента поля возрастает по мере приближения к плоскости XY (место расположения постоянных магнитов) и при Z = 0 достигает значения 0.34 Тл, которое остается постоянным вдоль оси X (рис. 6).
Энергия взаимодействия внешнего магнитного поля и сверхпроводящего образца, который приобретает в поле магнитный момент M, определяется как U = —MH. Сверхпроводник в поле можно характеризовать диамагнитной восприимчивостью M = XH, если градиент изменения поля на размере образца несущественен. Тогда сила, действующая на сверхпроводник, имеет вид F = — grad u. Если магнитное поле уменьшается при удалении от полюсов, то есть производная квадрата поля является отрицательной и убывает по абсолютной величине, это приводит к отталкиванию сверхпроводника от поверхности магнита. Так как сила отталкивания убывает с увеличением расстояния от плоскости Z = 0, то при наличии силы тяжести сверхпроводящий образец зависнет над поверхностью магнита на некоторой высоте h. Это произойдет при выполнении условия FZ = mg. В нашем случае для системы PMG-3 высота левитации составила h = 3 мм. Напомним, что по оси X поле практически постоянно, т. е. по X получаем вообще безразличное равновесие. Область колебания вдоль X показана на рис. 5(а) и
составляет ~50 мм (см. рис. 5(б) и 6). Квадрат поля имеет минимум по оси У, что говорит об отсутствии сил в горизонтальном направлении и устойчивости колебательного движения, так как д2и/дУ2 > 0.
Чтобы реализовать круговое движение сверхпроводящего ВТСП-образца в заданной области пространства, необходимо выполнить построение РМО-системы по принципам, изложенным выше для линейного колебательного движения. Прежде всего, необходимо иметь область постоянного поля (для кругового движения - это окружность), поле должно убывать по мере удаления от плоскости расположения РМО-системы, а в распределении квадрата поля по радиусу Я должен быть минимум, чтобы исключить уход сверхпроводящего образца с заданной орбиты. Другими словами, это означает, что мы должны замкнуть линейную РМО-систему, чтобы перейти к круговой организации движения интересующих нас ВТСП-объектов (рис. 7 и 8).
Рис. 7: Конфигурация системы РИС-4, обеспечивающая устойчивое круговое движение У123-образца относительно оси Z (а), и (б) -распределение квадрата магнитного поля для РИС-4.
На рис. 7(а) дана конфигурация и размеры системы РМО-4, обеспечивающей устойчивое круговое движение У123-образца относительно оси Z. Распределение квадрата поля показано на рис. 7(б), а рис. 8 демонстрирует стоп-кадры видеозаписи эксперимента по левитации У123-образца в системе РМО-4.
Основные выводы, которые можно сделать на данном этапе исследований, следующие:
- Стабильная левитация ВТСП-образцов наблюдается при реализации всех видов движения (подвес сверхпроводника в заданной точке пространства, циклические перемещения сверхпроводника - линейное и круговое). Это полностью соответствует требованиям по созданию системы бесконтактного позиционирования и транспорта КТМ в
ferromagnetic
Я, тт
Рис. 8: Стоп-кадры при движении У123-образца относительно оси X в системе РИС-4. Маркер используется как точка отсчета при фиксации положения У123-образца в моменты времени ¿ь£2,£3.
фокус мощной лазерной установки или реактора ИТС.
- При создании системы доставки типа "КТМ-МАГЛЕВ" ВТСП-материалы могут быть использованы как в дизайне покрытия КТМ, так и в дизайне сабота, как носителя КТМ.
- Подчеркнем, что требуемая сила левитации может быть достигнута при сравнительно простой конфигурации РМО-системы, что значительно упрощает любые конструкторские разработки.
- Возможно построение ускорителя КТМ в том виде, когда направляющая трубка электромагнитного инжектора, изготовленная из ВТСП, стационарна, а намагниченное тело (КТМ+ПОКРЫТИЕ или КТМ+САБОТ) движется вдоль направляющей инжектора.
Важное замечание следует сделать относительно влияния микроструктуры сверхпроводника на оптимизацию проводимых исследований. Обычные ВТСП-материалы, получаемые методом твердофазного синтеза, представляют собой керамику, в которой микроскопические кристаллиты ВТСП-фазы разориентированы в пространстве друг относительно друга и слабо связаны между собой ("сверхпроводящее стекло"). Возможности левитационных свойств таких материалов могут быть ограничены. Одним из возможных путей получения ВТСП с заданной микроструктурой - это кристаллизация расплава, так как в нем скорость диффузии компонентов гораздо выше, чем в твердом теле. Кроме того, из-за относительно малой вязкости расплава возможна "подстройка" формирующихся анизотропных кристаллитов друг относительно друга, как совпадающих частей мозаики. Так, например, сложная микроструктура ВТСП-образцов наблюдалась в работе [6], где было обнаружено много интересных и совсем не
случайных особенностей, связанных с макро-, мезо- и микроуровнями структурирования материала. Это создает предпосылки для формирования оптимальной микроструктуры ВТСП-материала именно для учета специфики конкретной поставленной задачи, в нашем случае - построения устройства доставки типа "КТМ-МАГЛЕВ" для непрерывного обеспечения криогенным водородным топливом экспериментов по программе
ИТС.
зЗаключение. В ФИАН начато изучение перспектив применения явления квантовой левитации ВТСП как метода бесконтактного позиционирования и транспорта КТМ при их доставке в фокус мощных лазерных установок или реактора ИТС. На данном этапе исследований в качестве ВТСП использовалась сверхпроводящая керамика на основе УБа2Си307-х с температурой сверхпроводящего перехода Тс = 91 К и значением верхнего критического поля Нс2 > 45 Тл. В работе продемонстрирована возможность не только осуществить стабильную левитацию различных ВТСП-образцов, но и возможность их линейного и циклического движения. Полученные результаты будут использованы в программе ФИАН по разработке системы бесконтактной доставки КТМ с использованием линейного или циклического ускорителя.
Финансовая поддержка работы осуществлялась в рамках контракта РФФИ № 15—02-02497, а также в рамках Государственного контракта по организации научной деятельности.
ЛИТЕРАТУРА
[1] I. V. Aleksandrova et al., Plasma & Fusion Research 8 (2), 3404052 (2013).
[2] D. T. Goodin et al., Nuclear Fusion 44, S254 (2004).
[3] I. V. Aleksandrova et al., J. Russian Laser Research 35 (2), 15 (2014).
[4] N. R. Werthhamer, E. Helfand, and P. C. Hohenberg, Phys. Rev. 147, 295 (1966).
[5] I. V. Aleksandrova et al., Proc. SPIE 8080, 80802M (2011).
[6] Е.А. Гудилин, Н. Н. Олейников, Сверхпроводимость: исследования и разработки 5-6, 81 (1995).
Поступила в редакцию 9 июня 2015 г.
