مجله یستهون هم و فن علو ایJ. of Nucl Sci. and Tech. 97 ، 9376 ، 91 - 97 79, 2017, 12-19 مطالعه ی پدیده فرونشانی و مشخصه یرسانای دمابا ابری نوار روابی آن بر ی یBi-2223/Ag ی درگاهز عبداله مهنا* 1 ، ناصر علی نژاد1 حمودی ، جعفر م2 لهی ق ، نیره عبدال ه ی1 1 شکده . پژوهسمازیک پ فی یسته و گداخت هستهون هم و فنشگاه علو ای، پژوهمی، صندوق پستی: انرژی اتی، سازمان ا31115 - 19511 ، تهران ـ ایران2 . انشکدهزیک، د گروه فیم، صندوق پستی:نشگاه قیه، دا ی علوم پا5111191111 ، قم ـ ایران چکیده: ا مربرد مگنت وزه، کار هایهبودیل ب به دلرسانای دمابا ابررسانای طراحی مگنت ابرل شده است. برای تبدی، به واقعیترسانا کیفیت سیم ابرف میون توان توصیر با قان این گذاًعمو است و مهم بسیار م)فرونشانی( ی به مقاومتیرسانای ابرایند گذاریق از فرمن، آگاهی دق اییون مقالوه،ود. در ا شو پدیدهی طول کوتاه رو آن برنتشارنی و ا ی فرونشارسانای ابر ی از نوارBi-2223/Ag با از شوبیهسوتفادهضعی و اارتی موری پالس حر به کارگی سوازی یکُ ب عدی با برنامه یComsol multiphysics 4.4 فرونشانیزم برای شده است. حداقل انرژیرسی بر(MQE) تشوار آن و سرعت ان(v MPZ ) ، دو مشخصه یری و حفاظتیدا که در پای هستند فرونشان. در اینسانا مؤثرندر مگنت ابر و دما، نرخ کاهشیش جریان افزا جا، باMQE ن عامل به عنوانتشار ناحیه سرعت اغییراتی، و نرخ تیدار پا ی نرمال(v MPZ ) برابر ذاتی درر حفاظترامتن پا به عنوا فرونشانیرسی شده بر اند. ک لید واژ ه ها: نرسانای ابر وارBi-2223/Ag ، حداقل انرژیارتی موضعیل حر ، اخت فرونشانینتشار ناحیه ، سرعت ا ی نرمال، شبیه سازیStudy of Quench and Its Characterization on High Temperature Superconducting Bi-2223/Ag Tape M. Abdollahi Dargah* 1 , N. Alinezhad 1 , J. Mahmoodi 2 , N. Abdollahi Ghahi 1 1. Plasma Physics and Nuclear Fusion Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 14399-51113, Tehran – Iran 2. Department of Physics, Faculty of Science, Qom University, P.O.Box: 3716146611, Qom – Iran Abstract: Nowadays, high temperature superconductor magnet applications have become a reality due to increases in conductor performance. Detailed knowledge of the superconducting to resistivity transition (quench) process is essential and usually this transition is described by power law. In this paper, the quench and the process of quench propagation are studied in a short sample of Bi-2223/Ag superconducting tape by applying localized heat pulses and using 1D simulation with the Comsol multiphysics 4.4 program. The minimum quench energy (MQE) and quench propagation velocity (v MPZ ) are two important parameters for the stability and protection of a superconducting magnet. Hear, by increasing the current and temperature, the MQE decreasing rate is investigated as a superconducting stability factor. Moreover, the changing rate of the normal zone propagation velocity is studied as a self-protection parameter against the quenching. Keywords: Bi-2223/Ag Superconducting Tape, Local Heat Disturbance, Minimum Quenches Energy, Quench Propagation Velocity, Simulation اریخ دریافت مقاله: ت6 / 1 / 75 یخ پذیرش مقاله: تار6 / 7 / 75 [email protected]*email: 91
9
Embed
Study of Quench and Its Characterization on High ......اومد یاناوسرربا ،هجیتن رد .تسا مزلا 4/1 Kیراک یامد هب تبسن رد یولو توسا
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
.J. of Nucl Sci. and Tech ای علوم و فنون هسته یمجله
97 ،9376، 91-97 79, 2017, 12-19
Bi-2223/Agی یابی آن بر روی نوار ابررسانای دماباالی فرونشانی و مشخصهپدیدهی مطالعه
*مهناز عبدالهی درگاه
1یه، نیره عبداللهی ق2، جعفر محمودی1نژادناصر علی، 1 ، تهران ـ ایران19511-31115 ای، سازمان انرژی اتمی، صندوق پستی:ای، پژوهشگاه علوم و فنون هستهو گداخت هسته ی فیزیک پالسما. پژوهشکده1
، قم ـ ایران5111191111 ی علوم پایه، دانشگاه قم، صندوق پستی:گروه فیزیک، دانشکده .2
کیفیت سیم ابررسانا، به واقعیت تبدیل شده است. برای طراحی مگنت ابررسانای ابررسانای دماباال به دلیل بهبود هایوزه، کاربرد مگنتمرا چکیده:
شوود. در ایون مقالوه، ایمن، آگاهی دقیق از فرایند گذار ابررسانایی به مقاومتی )فرونشانی( بسیار مهم است و معموالً این گذار با قانون توان توصیف می
سوازی به کارگیری پالس حرارتی موضعی و اسوتفاده از شوبیه با Bi-2223/Agی از نوار ابررسانای ی فرونشانی و انتشار آن بر روی طول کوتاهپدیده
، (vMPZ)و سرعت انتشوار آن (MQE)بررسی شده است. حداقل انرژی الزم برای فرونشانی Comsol multiphysics 4.4ی عدی با برنامهبُیک
به عنوان عامل MQEجا، با افزایش جریان و دما، نرخ کاهش مگنت ابررسانا مؤثرند. در اینفرونشانی هستند که در پایداری و حفاظت یدو مشخصه
.اندبررسی شده فرونشانیبه عنوان پارامتر حفاظت ذاتی در برابر (vMPZ)نرمال یپایداری، و نرخ تغییرات سرعت انتشار ناحیه
سازینرمال، شبیه ی، سرعت انتشار ناحیهفرونشانی، اختالل حرارتی موضعی، حداقل انرژی Bi-2223/Agوار ابررسانای ن :هاهواژلیدک
Study of Quench and Its Characterization on High Temperature Superconducting Bi-2223/Ag Tape
M. Abdollahi Dargah*
1, N. Alinezhad
1, J. Mahmoodi
2, N. Abdollahi Ghahi
1
1. Plasma Physics and Nuclear Fusion Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 14399-51113, Tehran – Iran
2. Department of Physics, Faculty of Science, Qom University, P.O.Box: 3716146611, Qom – Iran
Abstract: Nowadays, high temperature superconductor magnet applications have become a reality due
to increases in conductor performance. Detailed knowledge of the superconducting to resistivity transition
(quench) process is essential and usually this transition is described by power law. In this paper, the quench
and the process of quench propagation are studied in a short sample of Bi-2223/Ag superconducting tape
by applying localized heat pulses and using 1D simulation with the Comsol multiphysics 4.4 program. The
minimum quench energy (MQE) and quench propagation velocity (vMPZ) are two important parameters for
the stability and protection of a superconducting magnet. Hear, by increasing the current and temperature,
the MQE decreasing rate is investigated as a superconducting stability factor. Moreover, the changing rate
of the normal zone propagation velocity is studied as a self-protection parameter against the quenching.
Keywords: Bi-2223/Ag Superconducting Tape, Local Heat Disturbance, Minimum Quenches Energy,
Quench Propagation Velocity, Simulation
:[email protected] *email 6/7/75 تاریخ پذیرش مقاله: 6/1/75تاریخ دریافت مقاله:
گوذار و شورایک کواری مربوو بوه ها، تندیآن غیرابررسانا و نوعو سووب نوودهووای فرونشووانی مؤثرکوواربرد موووردنظر، بوور مشخصووه
تا مقادیر مشخصه، منحصر به همان ماده و شورایک باشود شوندمی[99-97.]
هوای حوداقل انورژی فرونشوانی و های اخیر، مشخصوه در سال
هووایی از نوووع کامپوزیووت روی نمونووه بوور ی نرمووالسوورعت ناحیووهابررسووانای پایووه بیسووموت کووه در ماتریسووی از نقووره قوورار دارد بووا
سازی در مودهای سرمایشوی متفواوت تخموین زده استفاده از شبیه گرفتوه نظور تنودی گوذار مواده در ،هوا در برخی از آن .شده است
است و یا هنگام بررسی سرعت انتشار در دماهوای مختلوف، نشده [.12، 97، 93تغییر جریان بحرانی برحس دما وارد نشده است ]
یووابی فرونشووانی بوور روی کامپوزیووتدر ایوون مقالووه، مشخصووهBi-2223/Ag د کووه در آن از قووانون توووان بوورای وشووموویانجووام
براین اثر تندی بنا .گیری انرژی فرونشانی استفاده شده استاندازهچنین وابستگی شود. همگرفته می نظر گذار در رفتار فرونشانی در
MQE وvMPZ که فقک دو سر نمونوه یدما و جریان در شرایط به .دوشمیاند، بررسی به منب، سرد متصل
. تئوری و روش محاسباتی2در سویم فرونشوانی بعودی در بررسوی رفتوار ی اساسی یکمعادله [:19جریان عبارت است از ]حامل
(9 )J ext c
( ( ) ) + + +
p
T TC (T) = k T q q q
t x x
گرموای ویو ه در Cpچگالی جرموی، ρزمان، tدما، Tکه در آن چگالی تووان گرموایش qJ ،ضری هدایت حرارتی k فشار ثابت،چگوالی تووان ناشوی از qext. چگالی توان سرمایش است qc ژول، و
غیرصفر است.ابررسانا، یاز نمونه V اختالل است که فقک در حجمای بوزر باشود توا فقک زمانی که انورژی اخوتالل بوه انودازه
را فوراهم کنود، فرونشوانی آغواز (MPZ)ی انتشوار حداقل ناحیوه تور از ی نرموال تشوکیل شوده از اخوتالل، کوم اگر ناحیوه شود.می
MPZ (3)و به حالوت ابررسوانا بازیوابی افتدباشد، رشد اتفا نمی ی دمووا و رشوود افووزایش فزاینووده ،شووود. در غیوور ایوون صووورتمووی[. دو کمیوت حوداقل 4یابود ] ی نرمال )فرونشانی( اداموه موی ناحیه
و حداقل ناحیوه انتشوار (MQE)انرژی الزم برای آغاز فرونشانی (MPZ) به هم مرتبک هستند؛ به این صوورت کوهMQE انورژی
است. MPZالزم برای تشکیل های فرونشانی، سرعت انتشار آن اسوت و بوه خصهیکی از مش
لحوواک کمووک در آشکارسووازی و جلوووگیری از انباشووت انوورژی کلی، سورعت بواال منجور بوه طور موضعی اهمیت زیادی دارد. به
، آزادسوازی انورژی مغناطیسوی ذخیوره ی نرموال رشد سری، ناحیوه کوواهش خطوور فرونشووانی توور، وی مگنووت در حجووم بووزر شووده
، νMPZ ی نرمال،کلی سرعت انتشار ناحیه یشود. رابطهمخرب می [: 11به صورت زیر است ]
(1) J
p
( ) ( )( )
MPZ
T q TC T
1
یابی آن بر روی نوار ابررسانای . . .ی فرونشانی و مشخصهی پدیدهمطالعه
94
، بووه طووور K 99 و 1/4دمووای بووین ظرفیووت گرمووایی مووواد در
بردن دمای مقدار [. بنابراین، برای باال13شود ]نوعی، سه برابر می
تووری انوورژی بوویش ،K 99کوواری دمووای مشخصووی از ابررسووانا در
نتیجه، ابررسوانای دموا درالزم است. K 1/4 نسبت به دمای کاری
اسوت ولوی در باال در مقایسوه بوا ابررسوانای دموا پوایین، پایودارتر
شوود. می تر، احتمال مخرب بودن آن بیشفرونشانیصورت بروز
کنود اسوت و ممکون HTSنرموال در یزیرا سرعت انتشار ناحیه
توا که آشوکار شوود، از آن حجم کوچکی از سیم قبل یاست دما
رود. باالی ذوب نقطه
( پیچیده9ی )ها، حل معادلهوابستگی دمایی کمیتبا توجه به
سوازی در کنوار های شبیهاستفاده از روش است. به همین دلیل، به
. در ایووون اسوووتتجربوووی توجوووه شوووده و مطالعوووات تحلیلوووی
و بووا اسووتفاده از کوود (4)روش عنصوور محوودود مقالووه براسووا
ComsolMultiphysics 4.4 سوازی انجوام ، محاسوبات و شوبیه
.شودمی
تقسیم جریان 2.1
ی مهم بوه دلیول ذات کوامپوزیتی یند فرونشانی، یک پدیدهادر فر
هوای دهد که وقوع تقسیم جریان بوین حالوت سیم ابررسانا رخ می
مشوواهده 9طووور کووه در شووکل ابررسووانایی و نرمووال اسووت. همووان
(Tcs) که دمای سیم، زیور دموای تقسویم جریوان شود، تا زمانیمی
باشد، سیم کامالً ابررسانا خواهد بود و گرمایشی وجوود نخواهود
، Tcsکنود. در زیورا هویج جریوانی از مواتریس عبوور نموی ،داشت
، Tcs بحرانوی سویم، وابسوته بوه جریان کاری دقیقاً برابر بوا جریوان
Iop(Tcs) شووود و در دمووای بوواالتر از موویTcs جریووان ،Ic(T) از
این جریان با دما کواهش .است Iopتر از گذرد که کمابررسانا می
Tcگذرد. در دمای بحرانی یابد و جریان اضافی از ماتریس میمی
)سووطم مقطوو، موواتریس( در Amو فراتوور از آن، در مووواردی کووه
ی نظور نشوود، واقعواً هموه )سطم مقطو، سویم( صور Aقایسه با م
(ρm) گووذرد، زیوورا مقاومووت موواتریس موواتریس مووی جریووان از
شووووود:مووووی (ρsc)توووور از مقاومووووت ابررسووووانا بسوووویار کووووم
[4] M. Wilson, Superconducting Magnets, Oxford University Press (1983).
[5] Y. Iwasa, Stability and protection of superconducting magnets: A discussion, IEEE Trans. Appl. Supercond. 15(2) (2005) 1615-1620.
[6] M. Breschi, L. Trevisani, M. Boselli, L. Bottura, A. Devred, P.L. Ribani, F. Trillaud, Minimum quench energy and early quench development in NbTi superconducting strands, IEEE Trans. Appl. Supercond. 17(2) (2007) 2702-2705.
[7] W. Pi, X. Shi, J. Dong, Y. Wang, Experimental Investigation on Quench Characteristics of NbTi/Bi2223 Hybrid Superconductor, International conference on Mechatronics, Electronic, Industrial and Control Engineering, (2015).
[8] H. Bajas, M. Bajko, B. Bordini, L. Bottura, S. Izquierdo Bermudez, J. Feuvrier, A. Chiuchiolo, J. C. Perez, G. Willering, Quench Analysis of High-Current-Density Nb3Sn Conductors in Racetrack Coil Configuration, IEEE Trans. Appl. Supercond. 25(3) (2015) 1-5.
[10] E. Martinez, F. Lera, M. Martinez-Lopez, Y. Yang, S.I. Schlachter, P. Lezza, P. Kovac, Quench development and propagation in metal/MgB2 conductors, Supercond. Sci. Technol. 19 (2006) 143.
[11] T. Huang, E. Martínez, C. Friend, Y. Yang, Quench characteristics of HTS conductors at low temperatures IEEE Trans. Appl. Supercond. 18(2) (2008) 1317-1320.
[12] Z. Zhong, H.S. Ruiz, L. Lai, Z. Huang, W. Wang, T. Coombs, Experimental study of the normal zone propagation velocity in double-layer 2G-HTS wires by thermal and electrical methods, IEEE Trans. Appl. Supercond. 25 (2015) 1-5.
[13] M. Lebioda, J. Rymaszewski, Analysis of normal zone propagation in superconducting tapes initiated by thermal disturbances, Journal of Physics: Conference Series. 709 (2016) 012011.
[14] T. Huang, A. Johnstone, Y. Yang, C. Beduz, and C. Friend, Finite element modelling of thermal stability and quench propagation in a pancake coil of PbBi2223 tapes, IEEE Trans. Appl. Supercond. 15(2) (2005) 1647–1650.
[15] B. Zhi-ming, X. Wu, C. Wu, J. Wang, Quench Propagation Properties Analysis of High-Temperature Superconductors using Finite Element Method, Physica C: Superconductivity and its applications 436(2) (2006) 99-102.
[16] A. Stenvall, A. Korpela, J. Lehtonen, R. Mikkonen, Formulation for solving 1D minimum propagation zones in superconductors, Physica C: Superconductivity and its applications 468(13) (2008) 968-973.
[17] N. Glowa, R. Wesche, P. Bruzzone, P. Bruzzone, Quench Studies of YBCO Insulated and Noninsulated Pancake Coils, IEEE Trans. Appl. Supercond. 24(3) (2014) 1-5.
[18] S. Sanz, G. Sarmiento, A. Pujana, J.M. Merino, M. Tropeano, D. Nardelli, G. Grasso, J. Sun, F. Tora, I. Marino, Experimental Study and Simulation of Quench in MgB2 Coils for Wind Generators, IEEE Trans. Appl. Supercond. 26(3) (2016) 1-5.
[19] M.K. Al-Mosawi, S. Avgeros, C. Beduz, Y. Yang, A. Ballarino, Quench characteristics of Ag/AuBi2223 HTS-stainless steel stack used for the hybrid current leads of the Large Hadron Collider, J. Phys. Conf. Ser. 97(1) (2008) 012304.
[20] C.L. Wu, H.L. Yang, Finite element analysis of quench propagation velocity in Bi-2223/Ag superconducting multifilamentary tape, Materials Science Forum 546 (2007) 1931-1934.
[21] Y. Iwasa, Case Studies in Superconducting Magnets, 2
th edition, Springer Science (2009).
[22] R. Bellis, Y. Iwasa, Quench Propagation in High Tc Superconductors, Cryogenics 34(2) (1994) 129-144.
[23] Cryocomp Eckels Engineering 3.06 Cryodata Inc. Florence SC, USA 29501.
[24] C. Uher, Thermal Conductivity of High-Tc Superconductors, J. Supercond. 3(4) (1990) 337-389.