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.