Сверхпроводимость ради устойчивости: новое сверхпроводящее звено для высоких технологий

Смотрите в

Гибкий криостат и первая серия высокотемпературных сверхпроводящих кабелей из диборида магния образуют инновационную линию электропередачи для питания внутренних тройных магнитов HL-LHC.

3 марта, 2023

|

Четна Кришна

Большой адронный коллайдер (БАК), крупнейший и самый мощный в мире ускоритель частиц, также является крупнейшей действующей сегодня в мире машиной, использующей сверхпроводимость. Пучки протонов внутри БАК изгибаются и фокусируются вокруг кольца ускорителя с помощью сверхпроводящих электромагнитов. Эти электромагниты состоят из катушек, изготовленных из ниобий-титановых (Nb-Ti) кабелей, которые должны работать при температуре ниже, чем в космическом пространстве, чтобы быть сверхпроводящими. Это позволяет току течь без какого-либо сопротивления или потери энергии. БАК высокой светимости (HL-LHC), модернизация БАК, впервые будет оснащен инновационными линиями электрической передачи, известными как «Сверхпроводящие связи».

Недавно на магнитной испытательной установке SM18 ЦЕРН была успешно интегрирована первая серия сверхпроводящих кабелей на основе диборида магния в новый гибкий криостат. Вместе с кабелями из высокотемпературного сверхпроводника (HTS) на дибориде магния (MgB2) они образуют уникальную сверхпроводящую линию передачи для питания внутренних тройных магнитов HL-LHC. Триплеты — это фокусирующие магниты, которые фокусируют луч прямо перед столкновением до диаметра всего 5 микрометров.

Гибкий гофрированный криостат с двойными стенками, известный в просторечии как «питон», состоит из 19 сверхпроводящих кабелей MgB2 в едином узле, скрученных вместе, образуя компактный жгут. Длина каждого кабеля MgB2 составляет около 140 метров, диаметр жгута около 90 мм. Вместе эти 19 сверхпроводящих кабелей могут передавать постоянный ток силой около 120 кА при температуре 25 К (-248 °C) — температуре выше, чем та, при которой работают обычные сверхпроводники. В БАКе кабели ниобий-титан (Nb-Ti) и ниобий-олово (Nb3Sn) работают в сверхтекучем гелии при температуре 1,9 К (-271,3 °С) – температуре ниже, чем 2,7 К (-270,5 °С) внешней среды. космос. Кабели MgB2 сверхпроводящей линии охлаждаются принудительным потоком газообразного гелия. «Исследования и разработки, проведенные на начальном этапе проекта LHC, сделали текущее производство надежным и повторяемым», — говорит руководитель проекта HL-LHC Оливер Брюнинг.

Этот новый тип сверхпроводящей линии передачи также имеет потенциал использования внешних ускорительных технологий. Эти линии могут передавать огромное количество тока при небольшом диаметре и, следовательно, могут использоваться для подачи электроэнергии в большие города или для подключения возобновляемых источников энергии к населенным пунктам. Недавно CERN и Airbus UpNext подписали соглашение о сотрудничестве по оценке использования сверхпроводниковой передачи для будущих самолетов с низким уровнем выбросов.

Но новизна этого сверхпроводящего материала — не единственный секретный компонент устойчивой сверхпроводящей линии передачи.

«Одним из преимуществ этой новой системы является то, что криогенная работа сверхпроводящей связи осуществляется с нулевыми затратами, поскольку она передает газообразный гелий, который в любом случае необходим для охлаждения токовых выводов», — говорит Амалия Балларино, заместитель руководителя Группа ЦЕРН по магнитам, сверхпроводникам и криостатам. «Итак, сверхпроводящие связи действуют как линия гелия и электрической передачи».

На объекте SM18 ЦЕРНа будет продолжаться сборка и тестирование сверхпроводящих связей (всего десять для HL-LHC) до тех пор, пока они не будут установлены в туннеле LHC во время длительного отключения 3, которое должно начаться в 2026 году. LHC Superconducting Link вступит в эксплуатацию в этом году, когда он будет подключен к криостату с помощью токовых выводов REBCO (редкоземельного оксида бария и меди) HTS с одной стороны и к соединениям Nb-Ti с другой. Интеграция этих ключевых новых технологий (новые сверхпроводящие кабели из MgB2, гибкие криостаты с длинной и низкой статической тепловой нагрузкой и токовые выводы REBCO HTS) знаменует собой начало устойчивого подхода к передаче электроэнергии для будущего ускорителей ЦЕРН, начиная с HL- БАК.