High temperature superconductors for fusion magnets

Abstract

Die Anwendung der Kernfusion zur Energieerzeugung ist gegenwärtig eine der größten technischen Herausforderungen. Die leistungsstarke zweite Generation von hochtemperatursupraleitenden Bandleitern (sogenannte Coated Conductors), die auf dem Kuprat Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBa2Cu3O7-x) basieren, sind dabei mögliche Kandidaten für den Einsatz in den Magnetspulen künftiger Fusionskraftwerke und müssen hohe Fluenzen von schnellen Neutronen überstehen, die während der Fusionsreaktion erzeugt werden. Deshalb wird in dieser Arbeit eine detaillierte Studie über den Einfluss der Bestrahlung mit schnellen Neutronen auf Bandsupraleiter durchgeführt.<br />Als Proben wurden die besten kommerziell verfügbaren Coated Conductors verwendet. Die Bestrahlung wurde im TRIGA Mark II Reaktor am Atominstitut in Wien durchgeführt.<br />Die Proben wurden in mehreren Stufen bestrahlt und nach jedem Schritt wurden Transportsstrom und Magnetisierungmessungen durchgeführt. Da schnelle Neutronen zusätzliche Verankerungszentren im Supraleiter erzeugen, verändert sich dessen Leistung deutlich. Die Bestrahlung erhöht die kritischen Stromdichte, kann aber nach einer gewissen Stärke auch zu einer Erniedrigung führen. Die Diskussion der Ergebnissen ist durch die zwei Hauptaspekte der Arbeit bestimmt. Vorrangig ist dabei die Untersuchung der Leistungsfähigkeit im Hinblick auf Fusion.<br /> Die Proben wurden auf eine Fluenz von über 1x10 22 m 2 bestrahlt, was dem gesamten Fluss entspricht, der auf den Magnetpositionen während der ITER-Lebensdauer auftritt. Die Leistung der Bandsupraleiter wird dann mit den Anforderungen eines Fusionskraftwerks verglichen. Da die Bestrahlungsbedingungen in Kernspaltungreaktoren unterschiedlich von jenen eines Kernfusionreaktors sind, wird eine Studie durchgeführt, um die Verwendbarkeit des TRIGA Mark II Reaktors zu bestätigen. Die Bandleiter bestehen aus chemischen Elementen, die sich während der Bestrahlung aktivieren. Deshalb werden die Konsequenzen auf die Anwendbarkeit in der Fusion diskutiert.<br />Der zweite Teil der Arbeit behandelt das Phänomen der Flusslinienverankerung durch die Defekte, die durch die Bestrahlung mit schnellen Neutronen entstehen. Die zahlreichen Messungen bieten genug Information für eine umfangreiche Studie mit Schwerpunkt auf dem Mechanismus der Flusslinienverankerung. Die winkelabhängigen Transportmessungen sind dabei besonders interessant. Spezielle Merkmale der Winkelabhängigkeit vor und nach der Bestrahlung mit den schnellen Neutronen werden definiert, analysiert und erklärt. Die Wirkung der durch die schnellen Neutronen erzeugten Defekte auf die Flusslinienverankerung wird mit den Ergebnissen anderer Autoren verglichen. Zum Schluss wird ein komplexer Pinningmechanismus vorgeschlagen.<br />

Thermonuclear fusion is one of the main challenges of current scientific research. High temperature superconductors are considered to be the most likely candidates to be applied in future fusion power plants. The second generation of high temperature superconducting wires (coated conductors) are the most powerful high temperature superconducting wires. They are usually based on a cuprate structure of yttrium-barium-copper-oxide (YBa2Cu3O7-x)), which has a critical temperature of 92 K. The superconducting wires applied in the coils of a fusion reactor have to withstand significant fast neutron fluences. The neutrons are produced directly by the fusion reaction. Therefore, a detailed investigation of fast neutron irradiation on coated conductors was performed in this thesis. The best available commercial coated conductors from the world leading manufacturers (SuperPower, EHTS - Bruker, American Superconductor - AMSC) were chosen as samples. TRIGA Mark II reactor in Vienna was employed as the irradiation facility. The samples were sequentially irradiated and, after each step, fully characterized by direct transport and magnetization measurements. The most complex characterization has been performed on the unirradiated samples. The fast neutrons introduce additional pinning centres into the superconductor, which can significantly change the performance of the superconductor. The critical current densities are often enhanced, but can also be reduced after a certain irradiation level is reached. The discussion and analysis of the results can be divided into two goals:<br />The first is studying the performance with regard to fusion requirements. The samples will be irradiated beyond a fast neutron fluence of 1x10 22 m 2, which corresponds to the ITER lifetime fluence at the magnet area. The performance of the coated conductors will be then compared with the fusion requirements. The irradiation conditions in fission and fusion reactors are very different. Therefore, a detailed study approving the employment of the TRIGA Mark II reactor as an irradiation source simulating the fluences of fusion machines will be presented. The coated conductors consist of chemical elements, which are activated and transmutated during the irradiation procedure. Thus the superconducting wire becomes a radiation emitter. The consequences resulting from this activation and transmutation for the coated conductors regarding the performance and the fusion applications will be also investigated and discussed.<br /> The second goal deals directly with the phenomena of the flux pinning enhancement caused by fast neutron irradiation. The numerous measurements performed for fusion studies offer enough data to perform a study with focus on the flux pinning mechanism in coated conductors. The angular resolved transport measurements will be especially interesting for this purpose. The coated conductor from SuperPower exhibits unique critical current dependence of its angle as a function of the applied external magnetic field. Therefore, the unique features in the dependence will be defined, analyzed and explained before and after irradiation by fast neutrons. The effect caused by the pinning centres introduced by fast neutrons will be connected with other phenomena studied by various authors. It will be presented as a complex pinning mechanism.