modellistica della stabilita` termica dei nastri

MODELLISTICA DELLA STABILITA’ TERMICA DEI NASTRI
SUPERCONDUTTORI DELLA SECONDA GENERAZIONE
M. Breschi, P. L. Ribani
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università di Bologna
Viale Risorgimento 2, 40136 Bologna
I nastri superconduttori di seconda generazione costituiscono una tecnologia
promettente per il miglioramento dell’efficienza dei dispositivi elettrici. Applicazioni su larga
scala ai motori e ai trasformatori saranno tuttavia possibili solo se si potranno ridurre i costi di
fabbricazione dei nastri e le perdite in corrente alternata. Negli ultimi anni sono stati
sviluppati nuovi tipi di nastri (detti "di seconda generazione") che utilizzano un sottile strato
di YBCO (composto ceramico a base di Ittrio), in grado di ridurre drasticamente le perdite in
corrente alternata. Uno dei problemi tecnologici nelle applicazioni di tali nastri è la stabilità
termica, ovvero la possibilità di mantenere lo stato superconduttivo anche in presenza di
rilasci di energia dovuti a disturbi o malfunzionamenti sempre presenti nei dispositivi reali.
La ricerca si propone di studiare la transizione dallo stato superconduttivo allo stato normale
che si verifica in corrispondenza di questi rilasci di energia. Le attività sono svolte in
collaborazione con il National High Magnetic Field Laboratory della Florida State University.
Le misure di tensione e temperatura vengono effettuate su un nastro SC del tipo
‘coated conductor’ sul quale viene depositata energia mediante un apposito riscaldatore. Il
riscaldatore è costituito da un filo di Ni-Cr che viene saldato al nastro superconduttivo.
L’erogazione al riscaldatore di un impulso di tensione determina una transizione dallo stato
superconduttivo allo stato normale della zona di nastro in prossimità del riscaldatore. In
corrispondenza di tale zona normale si sviluppa calore per effetto Joule determinando una
propagazione della zona normale lungo il nastro. Al fine di studiare tale propagazione
vengono disposte prese per la misura di tensione sviluppata in corrispondenza di entrambe le
facce del nastro (lo schema è illustrato in Fig. 1). Un fenomeno peculiare è stato osservato da
diversi gruppi di ricerca durante il quench del nastro: le tracce di tensione misurate sul lato in
nickel e sul lato in rame mostrano notevoli differenze qualitative. Precedenti studi
sperimentali realizzati allo scopo di comprendere questo fenomeno non hanno condotto alla
comprensione fisica di tali differenze.
Anche le attività di modellistica per lo studio della stabilità dei nastri di seconda
generazione possono essere considerate ad uno stadio embrionale rispetto all’enorme mole di
lavoro sviluppato per gli studi teorici e sperimentali della stabilità dei fili superconduttori a
bassa temperatura critica, e non hanno raggiunto il livello di dettaglio necessario per l’analisi
dei fenomeni rilevati sperimentalmente.
Nell’ambito della presente ricerca, uno sforzo congiunto di attività modellistica e
sperimentale ha consentito di interpretare e spiegare le motivazioni fisiche di tali fenomeni. E’
stato sviluppato un codice accoppiato elettromagnetico e termico che modella i diversi strati
di cui è composto il nastro superconduttore e le loro reciproche interazioni.
Cu0
Cu1
Cu2
Cu3
10.5 mm
9.4 mm
10.3 mm
Cu4
10.8 mm
YBCO
Ni1
Ni2
Ni3
Ni4
Ni0
Fig. 1. Schema di disposizione delle prese di tensione lungo entrambe le facce del nastro
Il modello elettromagnetico, che riproduce la sezione del nastro mostrata in Fig. 2, è
costituito dal circuito elettrico a costanti concentrate illustrato in Fig. 3. Gli studi parametrici
eseguiti con il modello hanno evidenziato che le differenze qualitative tra le tracce di tensione
sono dovute a fenomeni di ridistribuzione della corrente tra i diversi strati del nastro durante il
quench. La lunghezza di ridistribuzione della corrente dallo strato di YBCO allo strato di
nickel risulta infatti superiore rispetto a quella tra lo strato di YBCO e lo strato di rame.
Questo fenomeno è dovuto alla elevata resistenza elettrica di contatto compresa tra lo strato di
nickel e lo strato di YBCO determinata dalla presenza del buffer layer (tipicamente un ossido
a bassa conducibilità termica ed elettrica). Questi risultati hanno consentito la comprensione
qualitativa dei fenomeni riscontrati nello studio sperimentale. Il codice sviluppato può essere
inoltre utilizzato in fase di progettazione e fabbricazione dei nastri e dei dispositivi di
protezione dal ‘quench’.
Inductive
coupling
RJ-Cu
RCu
RJ-Ag
RAg
RJ-YBCO
RYBCO
RJ-Ni
RNi
LCu
RJ-Cu
RCu-Ag
Cu
Ag
LAg
RJ-Ag
RAg-YBCO
YBCO
Buffer layers
Ni alloy
Fig. 2. Schema degli strati che compongono un
tipico nastro di YBCO.
LYBCO
RYBCO-Ni RJ-YBCO
LNi
RJ-Ni
Δx
Ι
Fig. 3. Circuito elettrico a costanti concentrate.
Bibliografia
Xiaorong Wang; Caruso, A.R.; Breschi, M.; Guomin Zhang; Trociewitz, U.P.; Weijers, H.W.; Schwartz, J.,
“Normal zone initiation and propagation in Y-Ba-Cu-O coated conductors with Cu stabilizer”, IEEE Trans.
Appl. Sup, 15 (2), 2005, pp. 2586 – 2589
M. Breschi, P. L. Ribani, J. Schwartz, X. Wang, “A qualitative explanation of the non equipotential quench
behaviour in Y-Ba-Cu-O coated conductors”, Superconductor Science and Technology, 20, 2007.