Курчатовский институт по контракту с ОИЯИ успешно испытал пять пар высокотемпературных сверхпроводящих токовводов для магнитов коллайдера NICA.
Магниты коллайдера NICA – сверхпроводящие. То есть использующие явление сверхпроводимости. Сверхпроводимость появляется в особых металлах при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю. Поэтому сверхпроводящие магниты могут создавать магнитное поле только в очень холодных условиях – при температуре кипения жидкого гелия, которая равна примерно – 268° С (4,2° К).
Чтобы магниты начали работать, к ним надо подключить электричество. Устройства, которые соединяют источник электрического тока, находящийся при комнатной температуре, со сверхпроводящим элементом, погруженным в криостат с жидким гелием, называют токовводами.
Металлические проводники тока нагреваются, когда по ним течет электричество. Так что металлические токовводы сверхпроводящих магнитов нагревают охлаждающий магнит гелий. Перегрев токовводов или их контактов со сверхпроводящими магнитами может вызвать короткое замыкание и аварию в системе охлаждения магнитов. Именно такая ситуация случилась на Большом адронном коллайдере, едва его успели ввести в строй в 2008 году. Контакты между двумя соседними сверхпроводящими магнитами перегрелись и расплавились, криогенная система с жидким гелием разгерметизировалась, жидкий гелий вылился из нее. Чинили после аварии этот мощный ускоритель больше года.
Чтобы защитить токовводы от перегрева, нужно тратить лишний объем жидкого гелия на охлаждение их контактов со сверхпроводящими магнитами. А жидкий гелий стоит дорого.
Выход был найден, когда токовводы научились делать из высокотемпературных сверхпроводников. В них электрический ток течет без сопротивления (то есть без нагрева проводника) при температуре кипения жидкого азота – 196° С (77° К). То есть высокотемпературные сверхпроводники можно охлаждать не дорогим жидким гелием, а значительно более дешевым жидким азотом.
Токовводы для сверхпроводниковых магнитных систем бустера и коллайдера NICA разрабатывали в Китае, в Институте физики плазмы, и параллельно – в Курчатовском институте.
Еще в начале 2000-х годов Курчатовский институт в кооперации с предприятиями Росатома создал сверхпроводящие материалы нового поколения и технологии их производства. На базе этих разработок на Чепецком механическом заводе появилось полномасштабное производство сверхпроводящего кабеля для международного термоядерного реактора ITER. Вот так и вышло, что контракт на поставку высокотемпературных сверхпроводящих токовводов с силой тока 10,5 кА и мощностью 2,5 кВ для дубненского коллайдера NICAв жесткой конкурентной борьбе с ведущими научно-технологичными центрами КНР и Европы выиграл НИЦ "Курчатовский институт".
Резистивную часть «курчатовского» токоввода составили из стопок высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) лент 1-го поколения производства китайского компании InnoSTпо 7-8 штук в каждой стопке. Ленты проявляют сверхпроводящие свойства при температуре 77° К и пропускают ток силой не менее 100 А. Стопки лент разместили на трубе из нержавеющей стали. Эта часть токоввода охлаждается проточным жидким азотом. Температура верхнего терминала резистивной части поддерживается постоянной за счет протока воды. В качестве низкотемпературного сверхпроводника в нижней части токоподвода используется токонесущий сверхпроводящий элемент магнитной системы нуклотрона из ниобий-титанового сплава. Для улучшения электрического контакта отдельные ниобий-титановые стренды припаиваются под стопки ВТСП лент.
В отделе сверхпроводниковых и криогенных устройств Курчатовского НБИКС-центранедавно успешно закончились криогенные, вакуумные и токовые испытания пяти пар таких токовводов для магнитной системы коллайдера NICA в Дубне.
Программа испытаний этих уникальных технологических элементов включала в себя медленный ввод и вывод тока до 14 кА в охлажденную жидким азотом и жидким гелием пару токовводов, ввод тока до 12 кА со скоростью больше 10 кА/c, а также ввод постоянного номинального тока 10,5 кА в течение нескольких минут, в том числе с прекращением подачи жидкого азота на более, чем 2 минуты, и проверку давлением до 1,5 атм на отсутствие холодных гелиевых течей во внешний вакуум.