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Cable superconductor

Un ejemplo de un alambre ( aleación de V3Ga ) utilizado en un imán superconductor . Los cables superconductores son cables eléctricos fabricados con material superconductor . Cu...

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Un ejemplo de un alambre ( aleación de V3Ga ) utilizado en un imán superconductor .

Los cables superconductores son cables eléctricos fabricados con material superconductor . Cuando se enfrían por debajo de su temperatura de transición , su resistencia eléctrica es nula . Generalmente, se utilizan superconductores convencionales como el niobio-titanio , [ 1 ] pero los superconductores de alta temperatura como el YBCO están entrando en el mercado.

Las ventajas del cable superconductor sobre el cobre o el aluminio incluyen mayores densidades de corriente máximas y disipación de potencia nula . Sus desventajas incluyen el costo de la refrigeración de los cables a temperaturas superconductoras (que a menudo requiere criógenos como nitrógeno líquido o helio líquido ), el peligro de la extinción del cable (una pérdida repentina de superconductividad), las propiedades mecánicas inferiores de algunos superconductores y el costo de los materiales y la construcción del cable. [ 2 ]

Su principal aplicación se encuentra en los imanes superconductores , que se utilizan en equipos científicos y médicos donde se requieren campos magnéticos intensos.

Parámetros importantes

La temperatura de construcción y de funcionamiento se elegirá normalmente para maximizar:

  • Temperatura crítica T c , la temperatura por debajo de la cual el cable se convierte en un superconductor.
  • Densidad de corriente crítica J c , la corriente máxima que un cable superconductor puede transportar por unidad de área de sección transversal (vea las imágenes a continuación para ver ejemplos con 20  kA/cm 2 ).

Los cables/cintas/alambres superconductores suelen constar de dos características clave:

  • El compuesto superconductor (generalmente en forma de filamentos/recubrimiento)
  • Un estabilizador de conducción, que transporta la corriente en caso de pérdida de superconductividad (conocida como extinción ) en el material superconductor. [ 3 ] [ 4 ]

La temperatura de compartición de corriente T cs es la temperatura a la que la corriente transportada a través del superconductor también comienza a fluir a través del estabilizador. [ 5 ] [ 6 ] Sin embargo, T cs no es lo mismo que la temperatura de extinción (o temperatura crítica) T c ; en el primer caso, hay una pérdida parcial de superconductividad, mientras que en el segundo caso, la superconductividad se pierde por completo. [ 7 ]

Cable LTS

Los cables superconductores de baja temperatura (LTS) están hechos de superconductores con baja temperatura crítica , como Nb₃Sn  ( niobio-estaño ) y NbTi (  niobio -titanio ). A menudo, el superconductor se presenta en forma de filamento dentro de una matriz de cobre o aluminio que transporta la corriente en caso de que el superconductor sufra una pérdida de superconductividad por cualquier motivo. Los filamentos superconductores pueden constituir un tercio del volumen total del cable.

Preparación

Dibujo de alambre

El proceso normal de trefilado puede utilizarse para aleaciones maleables como el niobio-titanio.

difusión superficial

El vanadio-galio (V₃Ga ) se puede preparar mediante difusión superficial, donde el componente de alta temperatura, en estado sólido, se sumerge en el otro elemento, que se encuentra en estado líquido o gaseoso. [ 8 ] Cuando todos los componentes permanecen en estado sólido durante la difusión a alta temperatura, esto se conoce como proceso de bronce. [ 9 ]

Cable HTS

Los cables superconductores de alta temperatura (HTS) están hechos de superconductores con alta temperatura crítica ( superconductividad de alta temperatura ), como YBCO y BSCCO .

Polvo en tubo

Diagrama simplificado del proceso PIT

El proceso de polvo en tubo (PIT, u polvo de óxido en tubo , OPIT) es un proceso de extrusión que se utiliza a menudo para fabricar conductores eléctricos a partir de materiales superconductores frágiles como el niobio-estaño [ 10 ] o el diboruro de magnesio [ 11 ] , y superconductores de cuprato cerámico como el BSCCO [ 12 ] [ 13 ] . Se ha utilizado para formar cables de pnicturos de hierro [ 14 ] . (El PIT no se utiliza para el óxido de itrio, bario y cobre, ya que no tiene las capas débiles necesarias para generar una " textura " (alineación) adecuada en el proceso PIT).

Este proceso se utiliza porque los superconductores de alta temperatura son demasiado frágiles para los procesos de fabricación de alambre convencionales . Los tubos son de metal, a menudo plata . Con frecuencia, se calientan para que reaccione la mezcla de polvos. Una vez reaccionados, a veces se aplanan para formar un conductor en forma de cinta. El alambre resultante no es tan flexible como el alambre metálico convencional, pero es suficiente para muchas aplicaciones.

Existen variantes in situ y ex situ del proceso, así como un método de "doble núcleo" que combina ambos. [ 15 ]

Cinta o cable superconductor recubierto

Estos cables tienen la forma de una cinta metálica de aproximadamente 10  mm de ancho y aproximadamente 100 micrómetros de espesor, recubierta con materiales superconductores como YBCO . Unos años después del descubrimiento de materiales superconductores de alta temperatura como el YBCO , se demostró que las películas delgadas epitaxiales de YBCO cultivadas en monocristales con coincidencia de red como óxido de magnesio MgO , titanato de estroncio (SrTiO3 ) y zafiro tenían altas densidades de corriente supercrítica de 10–40 kA/mm2 . [ 16 ] [ 17 ] Sin embargo, se necesitaba un material flexible con coincidencia de red para producir una cinta larga. Las películas de YBCO depositadas directamente sobre materiales de sustrato metálico exhiben propiedades superconductoras deficientes. Se demostró que una capa intermedia de zirconia estabilizada con itria (YSZ) orientada en el eje c sobre un sustrato metálico puede producir películas de YBCO de mayor calidad, que aún presentaban una densidad de corriente crítica de uno a dos órdenes de magnitud menor que la producida en los sustratos monocristalinos. [ 18 ] [ 19 ] 

El avance se produjo con la invención de la técnica de deposición asistida por haz de iones (IBAD) para producir películas delgadas de zirconia estabilizada con itria (YSZ) alineadas biaxialmente sobre cintas metálicas y el proceso de sustratos texturizados biaxialmente asistidos por laminación (RABiTS) para producir sustratos metálicos texturizados biaxialmente mediante procesamiento termomecánico. [ 20 ] [ 21 ]

En el proceso IBAD, la película de YSZ con textura biaxial proporcionó una plantilla similar a un monocristal para el crecimiento epitaxial  de las películas de YBCO. Estas películas de YBCO lograron una densidad de corriente crítica de más de 1 MA/cm² . Otras capas amortiguadoras como óxido de cerio (CeO₂ ) y óxido de magnesio (MgO) se produjeron utilizando la técnica IBAD para las películas superconductoras. [ 22 ] [ 23 ] Arendt revisó los detalles de los sustratos y la tecnología IBAD. [ 24 ] El proceso de IBAD-MgO habilitado por LMO fue inventado y desarrollado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y ganó un premio R&D100 en 2007. [ 25 ] Este proceso de sustrato habilitado por LMO ahora es utilizado por prácticamente todos los fabricantes de cables HST basados ​​en el sustrato IBAD. En los sustratos RABiTS, la plantilla metálica presentaba una textura biaxial y, posteriormente, se depositaron capas tampón heteroepitaxiales de Y₂O₃ , YSZ y CeO₂ sobre dicha plantilla, seguidas de la deposición heteroepitaxial de la capa superconductora. Goyal revisó los detalles de los sustratos y la tecnología RABiTS. [ 26 ]

A partir de 2015Se han demostrado cintas superconductoras recubiertas de YBCO capaces de transportar más de 500  A/cm de ancho a 77  K y 1000  A/cm de ancho a 30 K bajo un campo magnético alto. [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] En 2021 se informaron cintas superconductoras recubiertas de YBCO capaces de transportar más de 250 A/cm de ancho a 77 K y 2500 A/cm de ancho a 20 K para cables producidos comercialmente. [ 31 ] En 2021 una demostración experimental de una película de YBCO sobredopada informó 90 MA/cm 2 a 5 K y 6 MA/cm 2 a 77 K en un campo magnético de 7 T. [ 32 ]  

deposición química de vapor organometálico

La deposición química de vapor organometálico (MOCVD) es uno de los procesos de deposición utilizados para la fabricación de cintas conductoras recubiertas de YBCO . Ignatiev ofrece una visión general de los procesos MOCVD utilizados para depositar películas de YBCO mediante deposición MOCVD. [ 33 ]

Coevaporación reactiva

La capa superconductora en los cables superconductores de segunda generación también puede crecer mediante la evaporación térmica de los metales constituyentes, el elemento de tierras raras , el bario y el cobre . Prusseit ofrece una descripción general del proceso de evaporación térmica utilizado para depositar películas de YBCO de alta calidad . [ 34 ]

Deposición por láser pulsado

La capa superconductora en los cables superconductores de segunda generación también se puede cultivar mediante deposición láser pulsada (PLD). Christen ofrece una descripción general del proceso PLD utilizado para depositar películas de YBCO de alta calidad . [ 35 ]

Estándares

Existen varias normas de la IEC ( Comisión Electrotécnica Internacional ) relacionadas con los cables superconductores bajo el protocolo TC90.

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Características de los imanes superconductores" . Fundamentos de la superconductividad . American Magnetics Inc. 2008. Consultado el 11 de octubre de 2008 .
  2. ↑ Dumé, Belle (26 de julio de 2006). "Un cable superconductor bate un récord" . Physics World . Archivado del original el 30 de octubre de 2007. Consultado el 3 de septiembre de 2009 .
  3. ↑ Wilson, Martin N. "Imanes superconductores." (1983).
  4. ↑ "Unidad 4: Superconductores prácticos para imanes de aceleradores" (PDF) .
  5. ↑ Bottura, L. "Magnet quench 101." arXiv preprint arXiv:1401.3927 (2014).
  6. ↑ Cutillas, Trueba; Manuel, Jose (20 de septiembre de 2017). "Campo efectivo en cables superconductores de gran tamaño para fusión" .
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