Физика плазмы, 2021, T. 47, № 12, стр. 1087-1102

3.1. Проводники на основе стопок ВТСП-лент

Проводники, показанные на рис. 3, обычно называют общим термином “проводники на основе стопок лент” (Stacked-Tape Conductor). Первичным элементом в таких проводах являются стопки лент, которые либо располагаются в плоскости (рис. 3а) [7], либо скручиваются вдоль продольной оси (рис. 3б, в) [8, 9]. Далее несколько таких стопок лент собираются в токопроводящую жилу провода, как это показано на рис. 3г, д [10, 11]. Токопроводящая часть провода собирается в две стадии. На первой стадии собираются стопки лент, которые могут пропаиваться (рис. 3б, г), скручиваться (рис. 3б, в) и/или заключаться в медную оболочку (рис. 3a, г). На второй стадии подготовленные стопки либо располагаются “в линию” (рис. 3а), либо скручиваются вокруг сердечника (рис. 3г, д).

Сильноточные провода обычно заключаются в кожух из нержавеющей стали для обеспечения механической прочности и устойчивости. Характерной особенностью таких проводов является отсутствие транспозиции лент на первой стадии и транспозиция стопок лент на второй стадии (кроме рис. 3а).

3.2. Проводники на основе скруток ВТСП-лент

Первичным элементом в таких проводах является многослойная скрутка лент (рис. 4а, в), которые на последующей стадии скручиваются вдоль продольной оси (рис. 4б, г). Как и в предыдущих конструкциях, токопроводящая часть провода собирается в две стадии. Первичная многослойная скрутка получила название CORC wire [12–14] и, соответственно, провода, показанные на рис. 4 называют проводами типа CORC. Основным стимулирующим фактором создания таких проводов послужило желание создать более гибкий по сравнению со стопками ВТСП-лент элемент, позволяющий наматывать провод на меньший радиус. Это достигается скруткой вокруг сердечника малого диаметра большого количества очень тонких (30–50 мкм) и узких (1–3 мм) ВТСП-лент (рис. 4в). В этих проводах, как и в проводах на основе стопок лент первичный элемент не является транспонированным.

3.3. Особенности проводников типа Stacked-Tape Conductor и типа CORC Conductor

Первичные элементы в обеих конструкциях не являются транспонированными, что приводит к различным импедансам отдельных сверхпроводящих лент. Напряжение, генерированное в каждом элементе при изменении тока, описывается соотношением

где $d{{I}_{i}}{\text{/}}dt$ – скорость изменения тока; L – длина провода; ${{l}_{i}}$ – эффективное значение индуктивности единицы длины ВТСП-элемента и ${{R}_{i}}$ – эффективное значение активного входного сопротивления i-го элемента.

Второе слагаемое в формуле (1) увеличивается с увеличением длины и в силу различной величины ${{l}_{i}}$ между отдельными элементами возникает разница потенциалов, что приводит к появлению токов перетекания между ВТСП-элементами и дополнительным потерям энергии. Этот нежелательный процесс зависит от скорости изменения тока, величины поперечного сопротивления и разницы в индуктивности элементов. Последствия процесса перетекания токов могут приводить к снижению критического тока провода и увеличению потерь энергии и зависят от теплоемкости провода, эффективности его охлаждения и запаса по току. Снижение негативного влияния этого процесса является одной из задач оптимизации конструкции обмоточного провода.

При испытаниях коротких образцов характер распределения токов между элементами провода определяется соотношением активной и реактивной частей импеданса элементов.

Очевидно, что при проведении экспериментов на коротких образцах следует соблюдать соотношение

При несоблюдении условия (2) токи в элементах будут определяться не конструкцией провода, как в реальном проводнике, а качеством присоединения ВТСП-элементов к токовым вводам.

Следует отметить, что существует несколько технических решений, позволяющих создавать транспонированные первичные элементы с равномерным распределением тока между ВТСП-лентами. Примером такого решения являются многоповивные конструкции жил сверхпроводящих силовых кабелей, в которых возможно добиться одинаковой индуктивности повивов [15, 16] и достичь равномерного распределения токов. Важным вопросом является увеличение плотности тока в таких конструкциях и обеспечение достаточной механической устойчивости.

В качестве полностью транспонированного первичного элемента могут использоваться так называемые кабели Ребеля (Roebel cable) [17, 18]. Однако это направление пока не получило достаточного развития, что связано с низкими механическими характеристиками и высокой стоимостью кабеля, при изготовлении которого значительная часть дорогостоящей ВТСП-ленты уходит в отходы.

Недавно был предложен еще один вариант создания полностью транспонированного первичного элемента [19], который будет описан ниже в разделе 5.3.

В заключение обзорной части статьи отметим, что ни одна из вышеприведенных конструкций проводников не удовлетворяет в полной мере требованиям к проводникам ТRТ, изложенным в разд. 2. Отчасти это связано с тем, что в вышеприведенных работах использовались ВТСП-ленты с относительно не высоким уровнем критической плотности тока. Однако последние достижения Российской компании ЗАО “СуперОкс” в области создания ВТСП-лент, предназначенных для работы в сильных магнитных полях при температурах 4.2–20 К, позволяют считать задачу создания ВТСП-проводников для обмоток реактора ТRТ вполне выполнимой.

5.1. Проводник для катушек тороидального поля на основе кабеля из стопки параллельных не скрученных ВТСП-лент (раздел представил Лелехов С.А.)

Специфические электрофизические и механические свойства ВТСП-лент усложняют изготовление транспонированных проводов и магнитов на их основе. Идея использовать несколько параллельных, не скрученных стопок, состоящих из ВТСП-лент, не спаянных по длине, в качестве токопроводящей жилы сильноточного проводника для катушек тороидального поля токамаков была озвучена на ASC14 [22]. Там же были представлены и основные рекомендации для реальной конструкции проводника типа “кабель-в-оболочке”.

Конструкция и технология изготовления как жилы, так и самого провода в этом случае значительно проще, рабочий ток распределяется между лентами в стопке почти равномерно согласно оценкам, сделанным в [23], сжимающая сила направлена в наиболее выгодном (перпендикулярно плоскости ленты) направлении, а критический ток ленты ${{I}_{c}}\left( {B,Т,\theta } \right)$ значительно (в 5–6 раз) выше в области максимального поля при ${{B}_{{\max }}} = 15$ Тл и температуре 4.2 < T < 20 К, чем в скрученной стопке лент из-за анизотропии электрофизических свойств ленты [21]. Это происходит из-за близкой к параллельной ориентации вектора индукции тороидального поля к плоской поверхности ленты (угол 0° < θ < 20° градусов, рис. 8) в большинстве точек по объему тороидальной катушки. Основными аргументами против рассматриваемой конструкции провода являются серьезные опасения, что определенные выше идеальные условия имеют место не везде в пределах объема катушки [24] и не соблюдаются во всех режимах работы токамака, а время зарядки ОТП (введение тока и поля) должно быть неоправданно большим согласно [25], чтобы избежать превышения величины индуцированного экранирующего тока выше критического значения. Обоснованность перечисленных выше опасений лучше всего рассматривать в привязке к конкретной, предлагаемой для токамака ТRТ конструкции ОТП [4].

5.1.1. Конструкция проводника для катушки тороидального поля. Предлагаемая для катушек тороидального поля токамака ТRТ концептуальная конструкция проводника на основе ВТСП-жилы из стопки параллельных не твистированных лент типа CICC представлена на рис. 9. Окончательные конструкция и размеры жилы и провода определятся на стадии разработки технологии изготовления провода и магнита как единого целого.

Согласно оценкам, сделанным на основании результатов работ [21, 23, 24] критический ток ленты шириной 12 мм при внешнем поле, параллельном плоскости ленты – ${{B}_{\parallel }} = 15$ Тл и температуре 4.2 К составит не менее ${{I}_{c}}\sim 7500$ A (или ~600 кА для стопки из 80 лент) и I_c ~ 2700 A (или ~200 кА для стопки из 80 лент) при внешнем поле, перпендикулярном плоскости стопки лент, ${{B}_{ \bot }}$ < 10 Тл и температуре 4.2 К.

При рабочем токе ОТП ${{I}_{{op}}} = 74$ кА запас по критическому току – k ≈ 8.1 и 2.7 соответственно. При температуре 20 К, величина критического тока и запас по току снижаются примерно в 2 раза (рис. 6 и 10), т.е. провод остается вполне работоспособным при температуре 20 К. При дальнейшей оптимизации проводника возможно уменьшение количества ВТСП-лент или использование лент меньшей ширины. Толщина стенки внешней оболочки ~1.5 мм и внешние размеры стабилизированного проводника после компактирования 21 на 33 мм² выбраны в предположении, что проводник размещается в спиральной канавке упрочняющей пластины. Площадь, занимаемая ВТСП-лентами, сталью и стабилизирующей медью с RRR > 100 в сечении проводника равны соответственно 72, 150 и 300 мм².

Охлаждение проводника осуществляется двумя параллельными потоками сверхкритического гелия. Один поток течет по двум полукруглым каналам оболочки кабеля общей площадью ${{S}_{1}} = 28$ мм². Второй – в зазорах между стабилизирующими медными проволоками. Здесь ожидаемое соотношение между площадью, занимаемой гелием ${{S}_{2}} = 33.3$ мм² и всей площадью сечения между ВТСП жилой и внешней оболочкой проводника после компактирования примерно 1:8 (void fraction ~12.5%).

Отклонение вектора индукции магнитного поля от направления параллельного плоскости ленты на периферии катушки тороидального поля Θ может достигать 15° и даже 20°. Но это имеет место в тех областях обмотки, где индукция магнитного поля существенно (в 2–3 и более раз) меньше его максимального значения, и где, соответственно, критическая плотность тока также в разы выше (рис. 8 и [21]).

Анализ распределения вектора индукции магнитного поля $В(J,T,\Theta ,E)$ (где J – плотность тока, E – напряженность электрического поля) по объему катушки показывает, что наиболее напряженная точка в нашем случае (точка, где соотношение критической и рабочей плотности тока минимально) не совпадает с точкой, где магнитное поле имеет максимальное значение. Исходя из вышеизложенного, количества ВТСП-материала, необходимого для изготовления магнита тороидального поля из проводника с параллельными не транспонированными лентами, при том же коэффициенте запаса по критическому току $k = {{I}_{c}}(B,T,\Theta ,E){\text{/}}{{I}_{{op}}}$ в наиболее напряженной точке обмотки, потребуется все же существенно меньше, чем в транспонированном, тем или иным образом проводнике с аналогичным запасом по току за счет преимущественно использования близкой и параллельной ориентации плоскости ленты и вектора индукции магнитного поля.

То же самое относится и к механическим напряжениям, возникающим в “невыгодном” направлении к плоскости ленты

где σ – механическое напряжение, МПа;  j – плотность тока в ленте А/мм²; r – радиус изгиба проводника в данной точке, м; B_psinΘ < 5° = B – составляющая индукции магнитного поля, перпендикулярная плоской поверхности ленты.

По оценкам автора (на основе книги [25]) неравномерность распределения тока между лентами в стопке параллельных лент при геометрии ОТП ТRТ будет не более 2%. Однако эти расчетные оценки, как и оценки, сделанные в [23] нуждаются в экспериментальном подтверждении.

5.1.2. Режимы работы проводника в ОТП ТRТ. Все вопросы, рассмотренные в этом разделе детально проанализированы в [26] поэтому ниже будет дано лишь их краткое описание.

Продолжительность режима зарядки для рассматриваемой здесь конструкции магнитной системы и проводника ОТП (рис. 9) с учетом индуктивности проводника и волнообразного изменения поля на длине каждого из витков катушки (рис. 10) не превысит согласно [26] 3-х часов, что вполне приемлемо для магнита тороидального поля ТРТ.

В режиме зажигания и возрастания тока плазмы, составляющая вектора индукции магнитного поля, перпендикулярная плоскости ленты, ${{B}_{ \bot }}$, которая создается катушками полоидального поля, секциями центрального соленоида и полем тока плазмы изменяется на 180° на полудлине витка. Величина этого поля, в наиболее напряженной точке (зеленая точка на рис. 10) не превышает 1 Тл, время нарастания поля 10 с и соответственно темп $dB{\text{/}}dt = 0.1$ Тл/c. Величина вектора стационарного поля, параллельного плоскости ленты в этой точке, ${{В}_{\parallel }} \approx 10{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 12$ Тл.

Критический ток здесь примерно в 1.5 раза выше, чем при ${{В}_{\parallel }} \approx 15$ Тл. Отклонение результирующего вектора поля – $B = {{B}_{\parallel }} + {{B}_{ \bot }}$ от направления параллельного плоской поверхности кабеля составляет (Θ < 5°). Это не приводит к заметному снижению критического тока в каждой из лент. Индуцированный перпендикулярной составляющей поля ${{B}_{ \bot }}$ < 1 Тл (dB/dt = 0.1 Тл/c), экранирующий ток и нагрев кабеля за счет потерь на переменном токе могут быть существенно снижены также и за счет филаментизации лент [27]. Гистерезисные потери энергии в пакете лент, генерированные поперечной компонентой индукции магнитного поля, могут быть уменьшены без применения филаментации за счет использования нескольких параллельных пакетов лент меньшей ширины. Например, пакет из 12 мм лент может быть заменен на три параллельных пакета 4 мм лент. Однако это стоит делать только в том случае если будет доказано, что потери энергии, вызванные поперечной компонентой поля, являются превалирующими.

При режиме защитного вывода энергии (ЗВЭ) упрощенно, все сводится к выбору разумного компромисса между допустимой максимальной температурой нагрева проводника в горячей точке ${{Т}_{{\max }}} < 200$ К и допустимым максимальным электрическим напряжением ${{U}_{{\max }}} < \pm 3.5$ кВ. Тороидальная обмотка при защитном выводе энергии разделяется на четыре части. Количество стабилизирующей меди с RRR > 100 и теплоемкость материалов (медь + нержавеющая сталь) в сечении проводника с учетом того, что значительная часть запасенной энергии выделится из-за взаимной индуктивности контуров в упрочняющих пластинах галет и корпусе катушки [28], обеспечат допустимые с точки зрения термомеханических напряжений и электрической прочности возрастания температуры и напряжения. Следует отметить, что при расчете максимальных значений температуры и напряжения нужно учитывать время задержки включения системы ЗВЭ. С точки зрения минимизации времени задержки срабатывания системы защиты, провод из нетвистированной стопки параллельных лент является предпочтительным, по сравнению с твистированным аналогом, так как скорость распространения нормальной зоны в нем значительно выше [29]. В нашем случае принималось, время задержки не более 2 с.

Проделанные в [26] и в данной работе оценки работоспособности предложенной конструкции проводника, предназначенного для катушек тороидального поля на основе ВТСП-провода, изготовленного из стопки параллельных нетвистированных, не спаянных между собой лент, подтверждают его надежность во всех основных режимах работы СМС ТП токамака ТRТ, как при Т = 5 К, так и при Т = 20 К. Однако, подтверждение сделанных оценок нуждается в проведении всесторонних экспериментальных исследований.

5.2. Провода на основе многоповивных скруток с равномерным распределением токов по повивам (раздел представили Высоцкий В.С., Зубко В.В., Фетисов С.С.)

Для обмоток тороидального поля на основе ВТСП (с относительно медленно меняющимся магнитным полем) возможным приемлемым решением могут быть проводники на основе пакетов ВТСП, лент, например типа VIPER [30] (аналог, показанному на рис. 3е). Но такое решение, по мнению авторов, непригодно для центрального соленоида и для полоидальных катушек. Для таких магнитов необходимы сверхпроводники с равномерным распределением токов по лентам. В противном случае, свойства сверхпроводников не будут полностью использованы, а потери при переменном поле значительно повысятся. Впрочем, обеспечение равномерного распределения токов весьма желательно для любого типа проводника.

Как уже упоминалось выше, в разд. 3.3, существует несколько технических решений, позволяющих создавать сверхпроводящие первичные элементы с равномерным распределением тока между ВТСП-лентами. Примером такого решения являются многоповивные конструкции жил сверхпроводящих силовых кабелей, в которых удается выровнять индуктивности повивов [15, 16]. Однако конструкции токопроводящих жил обычных силовых кабелей имеют достаточно большие размеры и относительно низкую плотность тока.

В ОАО “ВНИИКП” были проведены исследования возможности максимального снижения диаметра жилы провода со скрученными повивами и с увеличенным числом повивов [31, 32] при сохранении равномерного распределения тока по лентам. Снижение диаметра сверхпроводящей жилы позволяет снижать минимальный диаметр изгиба проводника, что является важным параметром. Малый диаметр проводника позволяет повысить плотность тока при сохранении заданного количества сверхпроводника. Для создания таких кабелей с малым диаметром и равномерным распределением тока между лентами, были разработаны специальные методы расчета и оптимизации, а также технологические приемы изготовления силовых кабелей [32].

В качестве начального примера рассмотрим самый компактный ВТСП силовой кабель, разработанный и испытанный на сегодняшний день [31] (рис. 11а). ВТСП-жила состоит из 4 повивов и 20 лент шириной 3 мм при наружном диаметре 13.06 мм. Жила кабеля была затянута в трубку из нержавеющей стали диаметром 15 мм и толщиной стенки 1 мм, а затем обжата до наружного диаметра трубы в 14 мм. Критический ток в собственном поле при температуре 77.4 К составил 3250 А, жила может быть изогнута на диаметр не менее 60 см, без потери критического тока. В конструкции использовались ленты СуперОкс предыдущего поколения, не предназначенные для работы в высоких магнитных полях при температуре 4.2 К. Все расчетные параметры и равномерность распределения тока по лентам были подтверждены в режиме постоянного тока и на частотах от единиц до 400 Гц. Легко оценить, что при этих частотах и амплитуде тока в 3200 А, амплитуда магнитного поля на поверхности внешнего повива составит порядка 0.1 Тл, а скорость изменения магнитного поля от 30 до 245 Тл/с. То есть высокая скорость изменения собственного магнитного поля не нарушает работоспособности ВТСП-ленты при ее охлаждении жидким азотом. Этот эксперимент показал принципиальную возможность создания ВТСП-проводников с упрочнением нержавеющей сталью и равномерным распределением тока по лентам. Мы рассматриваем эту жилу как прототип для кабелей с большим числом повивов. Такая конструкция обеспечивает равномерное распределение тока между лентами и достаточную механическую прочность за счет оболочки из нержавеющей стали. Достаточное количество меди для стабилизации и защиты при переходе в нормальное состояние может быть обеспечено за счет формера – центрального элемента, выполненного из медных проволок.

Токонесущую способность проводника такого типа можно существенно повысить, увеличивая количество повивов с сохранением правильно рассчитанных шагов и направления скрутки. Для оценки возможности создания такого проводника, в качестве примера, был выполнен расчет возможной конструкции десятиповивной жилы. При этом мы строго ориентировались на размер проводника наиболее близкого к предложенному в расчетах ЭМС ТRТ (рис. 2). Мы сохранили все основные размеры проводника, количество меди и усиливающие элементы, просто заменив область расположения сверхпроводника между диаметрами 13 и 22.3 мм на соответствующую сверхпроводящую скрутку. Относительная рыхлость сверхпроводящей скрутки может быть преодолена дополнительным упрочнением формера – центрального несущего элемента, которое здесь пока не рассматривается.

В расчете задача определения равномерного распределения тока по повивам сформулирована как задача минимизации следующей целевой функции:

где I_i – максимальные значения токов в повивах; $Х = \left[ {{{r}_{1}},{{\beta }_{1}},{{a}_{1}},{{r}_{2}},{{\beta }_{2}},{{a}_{2}}, \ldots ,{{r}_{N}},{{\beta }_{N}},{{a}_{N}}} \right]$ – вектор управляющих переменных; r_i – внутренний радиус повива; a_i, – направления наложения ВТСП-лент в повиве; β_i – угол наложения ВТСП-лент в повиве.

Первые расчеты привели к выводу, что приемлемым вариантом будут 10 слоев, скрученных в одну сторону. Внутренний диаметр 18.6 мм. В проводе 10 слоев лент, шириной 4 мм и толщиной 105 мкм (подложка 60 мкм, слои меди по 20 мкм). В каждом слое по 14 лент, полное количество лент – 140 (рис. 11б). Направление наложения лент одинаковое. В табл. 1 приведены параметры жилы предлагаемого провода. Между повивами жилы для стабилизации и выравнивания полигональной структуры наматывается 2 слоя медной ленты толщиной 50 мкм. При поле 15 Тл и температуре 4.2 К, критический ток в ленте будет около 600 А [21].

Суммарный критический ток при 140 лентах составит порядка 84 кА при 4.2 К и 15 Тл. Конструктивная рабочая плотность тока для проводника ОТП (рис. 2, слева) – составляет 140 А/мм², для проводника ОИ (рис. 2, справа) – 89 А/мм² (см. раздел 2).

Возможен вариант скрутки в двух направлениях, а также другие варианты соотношения диаметров скруток вписанных в габариты проводников, показанных на рис. 2. То есть в предложенной, сравнительно простой технологически, конструкции с использованием имеющихся во ВНИИКП технологий скрутки кабельных жил и джекетирования, в принципе, достижимы достаточно высокие плотности тока, при соответствии конструкции проводника размерам и параметрам, предложенным для ЭМС ТRТ. Конечно, требуется изготовление опытных образцов такого типа и их испытания в сильных магнитных полях и при гелиевой температуре. И возможная доработка конструкции провода. Но предварительный расчет показывает возможность реализации такого типа проводников для ЭМС УТС и, в частности, ТRТ.

В связи с тем, что провода предложенного типа не соответствуют в полной мере требованиям раздела 2, они могут быть использованы в ОПП. При этом они не должны деградировать и терять критические свойства при быстрых изменениях поля, благодаря выровненным индуктивностям повивов и равномерному распределению тока в лентах. Тем не менее деградация может быть вызвана механическими напряжениями и это вопрос требует изучения на релевантном эксперименте. Важным преимуществом таких проводов является относительная простота их изготовления с использованием уже имеющихся технологий.

При этом еще и еще раз следует подчеркнуть, что весьма важным представляется скорейшее проведение испытаний перспективных образцов ВТСП-проводника на стендах с высокими полями.

5.3. Провода на основе VS-элементов (раздел представил Сытников В.Е.)

Провод типа “кабель-в-оболочке” с токопроводящей жилой типа VS (V-Shape) является полностью транспонированной конструкцией (рис. 12 и 13) и может использоваться как при создании ОТП, так и при изготовлении секций ОИ. Общая концепция конструкции VS токопроводящей жилы следующая [19]:

– ВТСП-ленты располагаются только в один повив;

– ВТСП-ленты располагаются радиально;

– между ВТСП-лентами располагаются трапециевидные или треугольные вставки из несверхпроводящего материала, которые могут играть роль, как упрочняющего, так и стабилизирующего материала;

– каждая лента (или две ленты) с вставкой образуют V-образные элементы, которые скручиваются вокруг сердечника (рис. 12).

Такой первичный элемент может использоваться как в качестве токопроводящей жилы провода CICC однократной сборки так и в качестве элемента скрутки в жиле двукратной сборки.

ВТСП-лента и вставка могут предварительно спаиваться или соединяться непосредственно в процессе скрутки токопроводящего элемента первой стадии. При этом контакт ленты со вставкой осуществляется со стороны сверхпроводящего слоя (рис. 5), а контакт между VS-элементами происходит через два слоя хастелоя, что увеличивает поперечное сопротивление жилы и снижает потери энергии в нестационарных режимах. Границы элемента строго определяются радиальными линиями. Такие элементы наматываются на ребро в один слой по всей окружности вокруг круглого опорного элемента и обматываются сверху фиксирующей лентой. Для уменьшения влияния поперечной нагрузки на ВТСП-ленту возможно изготовление трапециевидного элемента несколько большей высоты, чем ширина ленты. В качестве материала такой вставки может использоваться медь, алюминий, бронза, латунь, композиция медь-ниобий, нержавеющая сталь или другие материалы.

Количество VS-элементов в конструкции определяется следующим образом:

где r – радиус центрального опорного элемента; а – толщина ВТСП-ленты; b – ширина нижней части трапециевидного элемента; k – коэффициент укрутки.

Основные преимущества конструкции VS токопроводящей жилы следующие.

– Полная транспозиция и, как результат, высокая конструктивная плотность тока и пол-ное   использование токонесущей способности ВТСП‑лент.

Высокая жесткость конструкции за счет использования прочных клиновых вставок и защита сверхпроводника от поперечных механических нагрузок.

Возможность легко варьировать поперечное сопротивление провода и потери энергии в нестационарных режимах работы за счет использования различных материалов.

Широкие возможности варьирования количеством лент, сечением меди и диаметром элемента.

Недостатки конструкции следующие.

– Отсутствие опыта изготовления VS-элемента и сборки ВТСП токопроводящей жилы провода.

– Отсутствие информации по минимальному радиусу изгиба и результатов испытаний электрофизических характеристик.

На рис. 13 представлены варианты конструкции VS-проводов однократной скрутки для обмоток токамака ТRТ. В качестве упрочняющего материала используется нержавеющая сталь, в качестве стабилизирующего материала медь или композиция медь-ниобий в форме цилиндра или скруток из проводок, покрытых никелем для увеличения поперечного сопротивления. В табл. 2 представлены расчетные характеристики проводов однократной сборки. За исходные приняты (с некоторым запасом) характеристики ленты из раздела 4, рис. 6, а именно, лента на подложке толщиной 40 мкм с линейной критической плотностью тока 150 А/мм ширины в поле 15 Тл, при 4.2 К. Рассмотрим конструкции с суммарным критическим током до 120 кА в поле индукцией 15 Тл при 4.2 К. Тогда максимальная конструктивная плотность тока в проводе ОИ при габаритах 26 × 26 мм² будет равна 178 А/мм², что вдвое больше требуемой рабочей величины 89 А/мм². Это значит, что проводники однократной сборки с максимальным током 120 А обеспечивают требуемый двукратный запас по току. Провода с током менее 100 кА при 4.2 К могут рассматриваться как первичный элемент в проводах двукратной скрутки.

Из табл. 2 следует, что наиболее подходящими для транспонированных проводов однократной скрутки являются конструкции VS2-4 и VS2₀-4, которые обеспечивают максимальную конструктивную плотность тока для провода ЦС, что соответствует требованиям, изложенным в разд. 2.

Общее сечение сверхпроводящих элементов в условных конструкциях, представленных на рис. 2, равно 127 мм². В конструкциях VS2-4 и VS2₀-4 сверхпроводящей жилы с учетом сечения вставок сечение равно 120 мм² и 95 мм². Это значит, что появляется дополнительная возможность либо уменьшить габариты провода с соответствующим увеличением плотности тока, либо увеличить его защиту.

Конструкции VS1-4 и VS1₀-4 также представляют интерес, однако они состоят из весьма большого количества элементов, что может представлять определенные сложности при скрутке ВТСП-жилы.

Конструкции VS2-3 и VS2₀-3, собранные из лент шириной 3 мм представляют интерес для проводов двукратной сборки как это показано на рис. 14а. Такой провод можно рассматривать для обмоток ОИ. При этом, общее сечение при габаритах 18.4 × 36.8 мм остается равным, предложенному в [4], а максимальный расчетный ток будет достигать 120–180 кА в поле 15 Тл при 4.2 К. При 20 К максимальный ток в таком проводнике может достигать 90 кА, т.е. существенно превышать требуемый запас по току при неизменной конструктивной плотности тока.

Провода типа VS могут также рассматриваться и для ОТП с рабочим током 74 кА, однако для этого должно быть увеличено количество ВТСП- лент, либо увеличена ширина ленты.

Как видно из табл. 1, при изготовлении VS-жилы используется большое количество первичных элементов (67–200 шт.). Для скрутки такого количества элементов использование крутильных машин классической скрутки нецелесообразно. Это связано с тем, что в таких машинах скрутка производится путем вращения отдающих катушек, расположенных во вращающихся клетях. Стандартное количество отдающих катушек в клети 6, 12, 18, 24. Более рациональным представляется использование машин типа Dram-Twister. В таких машинах отдающие катушки располагаются на неподвижных стойках, а скрутка жи-лы  происходит за счет вращения приемного барабана.

Технологическую операцию скрутки можно заметно упростить, сгруппировав часть ВТСП- лент в пакеты, как это показано на рис. 14б. В этой конструкции ленты сгруппированы для примера в восемь пакетов, обмотанных металлической лентой из титана или из нержавеющей стали. Общее количество лент такое же, как и в конструкциях VS2-4 и VS2₀-4. Количество пакетов может варьироваться в широких пределах. Трапециевидные вставки изготовлены из нормальнопроводящего материала или формованных металлических трубок, которые в зависимости от материала могут служить и стабилизатором и каналами для прокачки хладагента и упрочняющим элементом. В этой конструкции внутри пакетов транспозиция лент по отношению к собственному полю отсутствует, однако, расположение лент радиально в один слой обеспечивает транспозицию пакетов по отношению к внешнему полю.

Таким образом, предложенные конструкции проводов VS-типа позволяют достичь требуемых для ЭМС ТRТ-характеристик. Предложенное техническое решение позволяет использовать полностью транспонированную конструкцию однократной сборки для ВТСП-проводников магнитных систем перспективных термоядерных установок. До настоящего времени ни в России, ни в мире не предложено ни одной полностью транспонированной конструкции для подобных магнитных систем.

В качестве следующего шага разработки следует провести исследования в области электродинамики, технологические и электрофизические испытания образцов предложенных конструкций.