Los cables superconductores son cables eléctricos hechos de material superconductor . Cuando se enfrían por debajo de sus temperaturas de transición , tienen cero resistencia eléctrica . Más comúnmente, se utilizan superconductores convencionales como el niobio-titanio , [1] pero están entrando en el mercado superconductores de alta temperatura como YBCO .
Las ventajas de los cables superconductores sobre el cobre o el aluminio incluyen densidades de corriente máximas más altas y una disipación de energía nula . Sus desventajas incluyen el costo de refrigeración de los cables a temperaturas superconductoras (que a menudo requieren criógenos como nitrógeno líquido o helio líquido ), el peligro de que el cable se enfríe (una pérdida repentina de superconductividad), las propiedades mecánicas inferiores de algunos superconductores y el costo. de materiales de alambre y construcción. [2]
Su principal aplicación es en imanes superconductores , que se utilizan en equipos científicos y médicos donde son necesarios campos magnéticos elevados.
Parámetros importantes
La temperatura de construcción y operación se elegirá típicamente para maximizar:
- Temperatura crítica T c , la temperatura por debajo de la cual el cable se convierte en superconductor
- Densidad de corriente crítica J c , la corriente máxima que puede transportar un cable superconductor por unidad de área de sección transversal (consulte las imágenes a continuación para ver ejemplos con 20 kA / cm 2 ).
Los alambres / cintas / cables superconductores generalmente constan de dos características clave:
- El compuesto superconductor (generalmente en forma de filamentos / revestimiento)
- 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 intercambio 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 la misma que la temperatura de enfriamiento rápido (o temperatura crítica) T c ; en el primer caso, hay una pérdida parcial de superconductividad, mientras que en el último caso, la superconductividad se pierde por completo. [7]
Alambre LTS
Los cables superconductores de baja temperatura (LTS) están hechos de superconductores con baja temperatura crítica , como Nb 3 Sn ( niobio-estaño ) y NbTi ( niobio-titanio ). A menudo, el superconductor está en forma de filamento en una matriz de cobre o aluminio que transporta la corriente en caso de que el superconductor se apague por cualquier motivo. Los filamentos superconductores pueden formar un tercio del volumen total del alambre.
Preparación
Trefilado
El proceso normal de trefilado se puede utilizar para aleaciones maleables como el niobio-titanio.
Difusión superficial
El vanadio-galio (V 3 Ga) se puede preparar por difusión superficial donde el componente de alta temperatura como sólido se baña en el otro elemento como líquido o gas. [8] Cuando todos los componentes permanecen en estado sólido durante la difusión a alta temperatura, esto se conoce como proceso de bronce. [9]
Alambre 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
El proceso de polvo en tubo (PIT, o 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 niobio-estaño [10] o diboruro de magnesio , [11] y cuprato cerámico. superconductores como BSCCO . [12] [13] Se ha utilizado para formar alambres de pnictides de hierro . [14] (El PIT no se utiliza para el óxido de cobre ytrio, bario, 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 normales de formación de alambre . Los tubos son de metal, a menudo plateados . A menudo, los tubos se calientan para hacer reaccionar la mezcla de polvos. Una vez que han reaccionado, los tubos a veces se aplanan para formar un conductor en forma de cinta. El alambre resultante no es tan flexible como el alambre de metal convencional, pero es suficiente para muchas aplicaciones.
Existen variantes del proceso in situ y ex situ , así como un método de "doble núcleo" que combina ambos. [15]
Cinta o alambre superconductor recubierto
Las cintas superconductoras recubiertas se conocen como cables superconductores de segunda generación. Estos alambres tienen la forma de una cinta metálica de aproximadamente 10 mm de ancho y aproximadamente 100 micrómetros de espesor, recubiertos con materiales superconductores como YBCO . Unos años después del descubrimiento de materiales de superconductividad de alta temperatura , como el YBCO , se demostró que las películas delgadas de YBCO epitaxiales que crecían en cristales individuales emparejados en red como el óxido de magnesio MgO , el titanato de estroncio (SrTiO 3 ) y el zafiro tenían altas densidades de corriente supercrítica. de 10–40 kA / mm 2 . [16] [17] Sin embargo, se necesitaba un material flexible de celosía para producir una cinta larga. Las películas de YBCO depositadas directamente sobre materiales de sustrato metálico exhiben malas propiedades superconductoras. 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 todavía tenían una densidad de corriente crítica de uno a dos órdenes menos 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 circonio estabilizado con itria (YSZ) alineadas biaxialmente en cintas metálicas. [20]
La película YSZ biaxial actuó como una capa amortiguadora emparejada de celosía para el crecimiento epitaxial de las películas YBCO sobre ella. Estas películas YBCO alcanzaron una densidad de corriente crítica de más de 1 MA / cm 2 . Otras capas amortiguadoras como el óxido de cerio (CeO 2 y el óxido de magnesio (MgO) se produjeron utilizando la técnica IBAD para las películas superconductoras. [21] [22] [23]
Los sustratos lisos con una rugosidad del orden de 1 nm son esenciales para las películas superconductoras de alta calidad. Inicialmente, los sustratos de hastelloy se pulían eléctricamente para crear una superficie lisa. Hastelloy es una aleación a base de níquel capaz de soportar temperaturas de hasta 800 ° C sin fundirse ni oxidarse demasiado. Actualmente, se utiliza una técnica de recubrimiento conocida como "centrifugado sobre vidrio" o "planarización por deposición en solución" para suavizar la superficie del sustrato. [24] [25]
Recientemente, se 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 alto campo magnético. [26] [27] [28] [29]
Deposición de vapor químico
CVD se utiliza para cintas recubiertas de YBCO .
Deposición híbrida de vapor físico-químico
HPCVD se puede utilizar para diboruro de magnesio de capa fina . (El MgB 2 a granel se puede preparar mediante PIT o infiltración líquida de Mg reactivo).
Co-evaporación reactiva
La capa superconductora en los alambres superconductores de segunda generación puede crecer por co-evaporación reactiva de metales constituyentes, elementos de tierras raras , bario y cobre .
Estándares
Existen varios estándares IEC ( Comisión Electrotécnica Internacional ) relacionados con cables superconductores bajo TC90.
Ver también
- Niobio-titanio : más fácil de manejar, más económico, pero requiere LHe
- Niobio-estaño : difícil de manejar, campo crítico más alto, pero requiere LHe
- Superconductores de cuprato
- Superconductividad de alta temperatura
- Relación de resistividad residual
Referencias
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