ЖИДКИЙ ГЕЛИЙ и СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАГНИТЫ в УСКОРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ Н.Н.АГАПОВ Объединенный Институт Ядерных Исследований Дубна Московской обл.

План План жидкий гелий и техническая сверхпроводимость свойства жидкого гелия гелий в природе и его промышленные источники установки сжижения гелия способы криостатирования СП магнитов устройство магнитов с СП обмотками особенности криогеники и СП магнитов Нуклотрона

жидкий гелий и техническая сверхпроводимость Нобелевский лауреат (1913) Камерлинг-Оннес в Лейдене В 1906 получил жидкий водород В 1908 жидкий гелий В 1909 достиг температуры, лишь на 1° превышающей абсолютный нуль. В открыл явление сверхпроводимости ртути, затем олова, свинца, таллия и других элементов при температуре жидкого гелия. В 1913 обнаружил исчезновение сверхпроводимости под влиянием сильных магнитных полей и токов. В 1924 проиллюстрировал возникновение незатухающего тока в кольце из двух контактирующих сверхпроводников. Предложил использовать обмотку из сверхпроводящих материалов для создания мощных магнитных полей. Хейке Камерлинг-Оннес ( )

жидкий гелий и техническая сверхпроводимость Однако уникальное явление сверхпроводимости стало достоянием техники только со времени открытия Д.Кюнцлером (1961) замечательного свойства соединения Nb 3 Sn сохранять СП-состояние при плотности тока 10 5 А/см 2 магнитном поле 9Тл (Т =4,2 К). Впоследствии подобные свойства были обнаружены у многих соединений и сплавов, составивших особый класс жестких сверхпроводников 2-го рода. Сверхпроводящее состояние, наступает при температурах, менее так называемой критической температуры Т к Температуры Т к для технически значимых на сегодня СП материалов близки к абсолютному нулю При T< Тк снижением температуры достигается увеличение критических значений магнитного поля и плотности тока

Температуры фазовых переходов, К Температура кипения при 760 мм.рт.ст. Температура тройной точки Кислород90,254.4 Аргон87,383.8 Азот77,363.5 Неон27,124.5 Водород20,414.0 Гелий-4 Не 4 4,2 Отсутствует !!!! Гелий-3 Не 3 3,2 3,15 (14,3 МПа)

Диаграммы состояния АЗОТ ГЕЛИЙ

Гелий в природе и его промышленные источники Гелий, символ Не, химический элемент VIII группы периодической системы, относится к инертным газам; газ без цвета и запаха. Природный гелий состоит из 2 стабильных изотопов: He3 и He4, причем содержание последнего резко преобладает. Впервые гелий был открыт не на Земле, где его мало, а в атмосфере Солнца. В 1868 француз Ж. Жансен и англичанин Дж. Н. Локьер спектроскопически исследовали состав солнечных протуберанцев. Полученные ими спектры содержали яркую жёлтую линию, которую нельзя было приписать ни одному из известных в то время элементов. Они объяснили её происхождение присутствием на Солнце нового элемента, который и назвали гелием (от греч. helios - Солнце). На Земле гелий впервые был выделен в 1895 англичанином У. Рамзаем из радиоактивного минерала клевеита. В спектре газа, выделенного при нагревании клевеита, оказалась та же линия. На Земле гелия мало, но по распространённости во Вселенной гелий занимает 2-е место после водорода: на долю гелия приходится около 23% космической массы.На Земле гелий (точнее, изотоп He4) постоянно образуется при распаде урана, тория и других радиоактивных элементов. Примерно половина всего гелия сосредоточена в земной коре, главным образом в её гранитной оболочке, аккумулировавшей основные запасы радиоактивных элементов. Содержание гелия в земной коре невелико - 3 х по массе.

Гелий в природе и его промышленные источники Добыча гелия в промышленныхмасштабах производится из природных газов. По качеству сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание Не > 0,5% по объёму); рядовые (0,10-0,50) и бедные < 0,10). Более значительные его концентрации (до 2-3%) известны в некоторых месторождениях природного газа Канады и США (шт. Канзас, Техас, Нью- Мексико, Юта). Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд. кубометров. Крупные месторождения находятся в США (45% от мировых ресурсов), далее идут Россия (32%), Алжир (7%), Канада (7%) и Китай (4%). По производству гелия также лидируют США (140 млн. кубометров в год), затем - Алжир (16 млн.). Россия занимает третье место в мире – 6 млн. кубометров в год. Оренбургский гелиевый завод является в настоящее время единственным отечественным источником получения гелия, причем производство газа снижается. В связи с этим, газовые месторождения Восточной Сибири и Дальнего Востока с высокими концентрациями гелия (до 0,6%) приобретают особое значение. Одним из наиболее перспективных является Ковыктинское газоконденсатное месторождение, находящееся на севере Иркутской области. По оценкам специалистов здесь содержится около 25% общемировых запасов гелия.

Нужны меры по сохранности По легкости и проницаемости гелий уступает только водороду, но он инертен – не вступает в реакции и не аккумулируется в атмосфере. Земля постоянно теряет гелий в околопланетное пространство. Ее сопровождает гелиево-водородный шлейф (А.И.Вернадский).

ЗАКОНОДАТЕЛЬНЫЕ АКТЫ США

Значительная роль в сохранении гелия принадлежит России, поскольку именно на ее на территории сосредоточена значительная часть планетарных ресурсов в высококачественном сырье (0,2-0,6%). Если во многих странах запасы гелия идут на убыль в связи с длительной газодобычей, в России разработка практически не начата, а геологоразведка постоянно улучшает прогноз.

Liquid Helium Production for Industry ( L/Year). 40 m 3 LHe containers at the moment of the shipment to "Air Products" and "BOC (1992).

Впервые в России освоено сжижение гелия в промышленных объемах ( годы: до л/год)

Удельные затраты энергии на получение холода

Схемы криогенных установок на основе эффекта Джоуля-Томсона Максимальная температура инверсии, К CO 2 ArN2N2 Н2Н2 Не Компрессор Теплообменник Дроссель Сборник жидкости

Адиабатический метод в криогенике Промышленное получение жидкого кислорода Крупное производство жидкого гелия для научных целей Открытие сверхтекучести гелия П.Л.Капица – лауреат Нобелевской премии (1978) за открытия и изобретения в области криофизики

Simplified Diagrams of the Nuclotron Helium Refrigerator Compressor Heat exchangers Temperature-entropy diagram of the cold box. The plant normally operates without liquid nitrogen; we only use it during the cooldown of the ring and in case of liquid helium production. One part of the compressed helium is expanded from 25 bars step- by-step in the three turbines. After cooling in the heat exchangers to a temperature of about 5.5 K (8.5 K), another part is directed into the wet expander.

The main compressor at our liquid helium plant is a two- stage screw machine with an inlet absolute pressure of about 1 bar, an outlet pressure of 25 bars and a capacity of about 5000 Nm3/h. The isothermal efficiency of the machine is higher than 50%. The total running time of about hours without any defects and any serious repair was provided. Screw Compressor Kascade-80/25

Piston Compressors Department The piston compressor department includes eleven machines. They have rather low reliability and can be used only as reserve capacity. These small- capacity machines are useful also for the stage-by-stage regulation of flow rate and storage of the compressed helium.

Turboexpanders are very small high-speed turbines. The turbines are capable of extended operation at a rotor frequency of up to 300,000 revolutions per minute. The working rotation frequencies are considerably lower, and so the turbine is very reliable in operation and capable of withstanding large overloading. This is greatly useful during cooldown of the system. Wet Turboexpanders Wet Turboexpanders

In order to raise the efficiency of cryogenic refrigerators and liquefiers, it is very important to replace the JT- process, which involves large thermodynamic losses, by the improved process of adiabatic expansion. In 1965, the replacement of a JT-valve by an expander was proposed and realized in the hydrogen liquefaction cycle at the LHE. The output of the hydrogen liquefier was per cent higher with an expander. As for a helium liquefier, S. Collins made it in Piston-type machines were used in both cases. The first successful experience to use a wet turbine was gained by our team in Test results of the second-generation wet turboexpander for the Nuclotron helium refrigerators. The application of this new expansion machine increases the efficiency of the Nuclotron helium refrigerators by 25 %. Wet Turboexpanders Wet Turboexpanders

The KGU-1600/4.5 helium refrigerator Schematic diagram of the KGU-1600/4.5 refrigerator: 1- Main heat-exchanger unit; 2- Gas-expander unit; 3- Units for cleansing from N 2 and O 2 impurities; 4- Liquefaction unit; 5- Wet expander unit

Cryogenic Complex of the Nuclotron Cryogenic Complex of the Nuclotron 1 – Synchrophasotron 4 GeV/n 2 – NUCLOTRON 6 GeV/n 3 – gaseous helium storage 4 – gas-bags 5 – compressors 6 – refrigerators

Температура перехода сверхпроводящее состояние и критическое магнитное поле СП материалов Вещество Критическая температура Т К, К Критическое поле Н 0, э Сверхпроводники 1 рода Свинец7,2800 Тантал4,5830 Олово3,7310 Алюминий1,2100 Цинк0,8853 Вольфрам0,011,0 Сверхпроводники 2 рода Ниобий9, Сплав 65 БТ (Nb-Ti-Zr)9, Сплав NbTi9, V 3 Ga14, Nb 3 Sn18, (Nb 3 AI) 4 Nb 3 Ge20,0 Nb 3 Ge23 GeTe*0,17130 SrTiO 3 *0,20,4 300 Pb 1,0 Mo 5,1 S

Две группы сверхпроводников: 1-го рода, для которых проникновение магнитного поля в сверхпроводник происходит скачком одновременно с появлением электрического сопротивления 2-го рода, для которых проникновение магнитного поля в начинается в значительно меньших полях (до появления сопротивления). Для сверхпроводников 2-го рода различают нижнее критическое поле Н к1, при котором начинается проникновение магнитного поля, и верхнее критическое поле Н к2, при котором магнитное поле полностью проникает в объём, а электрическое сопротивление приобретает значение, характерное для нормального состояния Из 2-го рода выделяют группу жёстких сверхпроводников. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), которые возникают благодаря специальной технологии изготовления. В жёстких сверхпроводниках движение магнитного потока сильно затруднено дефектами. В этих материалах сильные постоянные электрические токи могут протекать без потерь, т. е. без сопротивления, вплоть до близких к Н к2 Поэтому именно жёсткие сверхпроводники у которых электрическое сопротивление равно нулю вплоть до очень сильных полей, представляют интерес с точки зрения технических приложений. Их применяют для изготовления обмоток. Существенный недостаток жёстких сверхпроводников - хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволоки или ленты для обмоток сверхпроводящих магнитов. Особенно это относится к соединениям с самыми высокими значениями Тк и Нк типа Nb3Sn.

Особенности обмоток Для стабилизации тока в обмотке (предотвращения потери сверхпроводимости отдельными её участками) сверхпроводящие обмоточные материалы выпускаются в виде проводов и шин, состоящих из тонких жил сверхпроводника в матрице нормального металла с высокой электро- и теплопроводностью (медь или алюминий). Жилы делают не толще нескольких десятков мкм, что снижает тепловыделение в обмотке при проникновении в неё растущего с током магнитного поля. Кроме того, весь проводник при изготовлении скручивают вдоль оси, что способствует уменьшению токов, наводящихся в сверхпроводящих жилах и замыкающихся через металл матрицы. Обмоточные материалы из хрупких интерметаллических соединений Nb 3 Sn и V 3 Ga выпускают в виде лент из Nb или V толщиной 1020 мкм со слоями интерметаллида (23 мкм) на обеих поверхностях. Такая лента для стабилизации сверхпроводящего тока и упрочнения покрывается тонким слоем меди или нержавеющей стали. У крупных магнитов с запасенной энергией поля в десятки и сотни Мдж, проводники (шины) в своём сечении содержат лишь 510% сверхпроводника, а в обмотке предусматриваются каналы, обеспечивающие надёжное охлаждение витков жидким гелием. Электромагнитное взаимодействие витков создаёт значительные механические напряжения в обмотке. Так, в случае длинного соленоида с полем ~100 кГс они эквивалентны внутреннему давлению ~ 400 атмосфер. Для придания необходимой механической прочности применяют специальные бандажи.

The most interesting feature of the Nuclotron magnets is their capability for very fast cycling. Its really unusual for superconducting magnets to operate with pulse repetition rates up to 1 Hz. The Nuclotron magnets therefore had to have very efficient cooling. This conditions is possible to satisfy using a two-phase helium flow in hollow superconductors. Fast cycling magnets and refrigeration with two-phase helium flow Superconducting cable of the Nuclotron

Поворотный магнит LHC Всего на LHC установлено 1232 таких магнитов. Это, сделанные из ниобий– титанa и рассчитанные на работу при температуре 1,9 К. Каждый из них может держать до 11 кA тока и создавать магнитное поле с индукцией 8,3 тесла. В течение нескольких лет на создание волокон для LHC уходило свыше четверти всего производимого в мире ниобий-титанового сплава.

Поворотный магнит LHC

Tevatron dipole magnet Железное ярмо «теплое», длина 6,7 м, максимальное поле 4,2 Тл. Охлаждение жидким гелием с промежуточным теплообменом.

Способы криостатирования СП магнитов Погружной способ Циркуляция жидкого гелия Циркуляция кипящего (двухфазного) гелия Применение сверхтекучего гелия

Nuclotrons technical ideas and solutions never used before: fast cycling superconducting magnets refrigeration by two-phase helium flow very short cooldown time to the operating temperature parallel connection of about 150 cooling channels wet expansion turbines liquid helium jet pumps two-stage screw compressor with an outlet pressure of 25 bars

The Nuclotron is the first fast cycling superconducting accelerator, specially designed to accelerate nuclei and heavy ions to relativistic energies. The accelerator was put in to operation in Nuclotron Ring

Maximum design energy of particles, GeV/u 6.0 Perimeter, m Max. magnetic field, T 2.0 Stored energy, MJ 2.35 Temperature, K 4.5 Total static heat leak, kW 1.75 Dynamic heat releases (at 0.5 Hz), kW 2.9 Pulse repetition rate, Hz up to 1.0 Total cold mass, tons 80 Cool down time, h 80 Main Nuclotron parameters

Basic elements of the ring are: 96 superconducting dipole magnets, 64 quadrupole magnets, 28 multipole correctors with three or four types of winding in each. Supply current to the main magnets and energy evacuation as well are provided by twelve 6 kA current leads, cooled by cold helium vapor. The Nuclotron Ring MAIN CHARACTERISTICS OF THE MAGNETS

Magnet-cryostat unit The magnets of the accelerator, with the helium headers of the direct and back flows, located in a ring cryostat formed by SS horizontal cylindrical segments.

NUCLOTRON QUADRUPOLE MAGNET

The cross sections of the dipole and quadruple magnets are shown in this picture. The iron yoke of the dipoles consists of two symmetric parts which are bolted together. Each part is assembled from plates of transformer steel 0.5 mm thick. The yoke of quadruples has four symmetric parts. dipole quadrupole

In a magnet-cryostat unit the magnet is held by eight drawbars 9 in such a way that after cooling to operating temperature, the location of its magnetic axis does not change in space. The structure is located on the adjustable stand 15. The vacuum jackets of the units are connected by bellows 1 and jointed sleeves 5. These features provide access to the connections of the electrical and cryogenic communications located in the short gaps between the magnets. Magnet-cryostat unit

By the time of the Nuclotron design there was no world experience of cooling a large number of parallel channels cooled with two-phase helium. Thus, success of practical decision of the problem was still not obvious. It was necessary to provide a stable cooling of more than 150 parallel channels having different thermal and hydraulic characteristics. The problem has been solved as follows. Each of the magnets is fed by liquid helium from the supply header. In the standard operating mode, helium with a mass vapor content of about 0.35 leaves the SC winding and then the iron yoke. After this it is drawn off (with a vapor content of 0.9) to the return header. q1 - Discharge from SC winding q2 - Discharge from iron yoke Parallel connections of all cooling channels

Hydraulic resistance of cooling channels of magnets is adjusted in such a way that the mass vapor content of helium at the outlet of the dipole and two types of quadrupoles was identical and equal to 90% at the design operating mode with pulse repetition rate f 0 =0.5 Hz. Illustration of the pressure drop P in the cooling channels versus the pulse repetition rate f for three types magnets at a outlet mass vapor content of helium x=0.9; f 0 – pulse repetition rate at the design operating mode. 1, 2, 3 – types of magnets

Phase separator, main and 62 additional subcoolers are constructed in each half-ring to keep the helium in a liquid state inside the supply header. Thus, the required distribution of the helium flows for such a big number of different channels has been provided. Parallel connections of all cooling channels

In case of the accelerator operation in a mode with pulse repetition rate essentially less than the design value, the distribution of helium flows on magnets will not by optimal. We had surplus of refrigerator capacity, but were forced to increase the helium flow rate through all magnets to exclude quenches in magnets of type 3. The consequence was a big extra power consumption and a reduction of the refrigerator efficiency due to deviation from the optimal mode. Liquid helium jet pump: 1- Nozzle 2- Cylindrical mixing tube 3- Inlet diffuser Liquid helium jet pump Last modernization of the Nuclotron cryogenic system with the jet pumps allowed to increase greatly - by about 50% - the flow rate of helium circulated through the magnets. As a result, the reliability and the operation stability of the magnetic system were significantly increased in several different operation modes at small (10%) decrease of the refrigerator capacity.

The wet turboexpander and the liquid helium jet pump have a parallel connection. The high pressure stream flows from the last heat exchanger of the refrigerator and splits into two parts. One part (about 90%) is led to the expander. The jet pump flow (10%) increases its velocity by means of the nozzle, and then carries away the stream of liquid helium from the collector of the refrigerator. The mixed stream, which is about five times more than the nozzle flow, joins the outlet stream of the wet expander. 1- Wet turboexpander 2- Throttle 3- Liquid helium jet pump 4- Subcooler 5- Liquid helium collector Liquid helium jet pump

The cooldown process is realized without any extra facilities. Only the main refrigerator system is used. Supply and return streams are the same as in case of ordinary refrigeration at 4.5 K. But in order to speed up the cooldown, each of the refrigerators is equipped with bypass lines. The magnets are cooled down in three steps. Very Short Cooldown Time – hours

Typical distribution of helium temperatures around the ring during cooldown time Very Short Cooldown Time – hours