Effect of neutron radiation damage on coated conductors for fusion magnets

Abstract

Kernfusion ist eine CO2-neutrale Energiequelle mit einer hohen Energiedichte. Ein künftiges Kernfusionskraftwerk basierend auf magnetischem Plasmaeinschluss benötigt supraleitende Magnetspulen. Eine hohe magnetische Flussdichte ist vorteilhaft, weil die Leistungsdichte mit ihrer vierten Pontenz skaliert. In aktuellen Fusionsprojekten, wie ITER, erzeugen Tieftemperatursupraleiter das Magnetfeld. Aufgrund ihrer intrinsischen Eigenschaften ist das Feld dadurch in der Mitte der Plasmakammer auf etwa 5 Tesla begrenzt. Die Anwendung von Hochtemperatursupraleitern (HTS) könnte dieses Feld verdoppeln und eine beträchtliche Verkleinerung der Reaktorgröße ermöglichen. Dadurch würde der Material- und Bauaufwand erheblich sinken, was die Errichtungskosten deutlich reduzieren würde. Kernfusion ist ein exothermer Prozess mit einer sehr hohen Aktivierungsenergie. Die Deuterium-Tritium-Reaktion ist diesbezüglich noch die am einfachsten realisierbare. Die dabei entstehenden hochenergetischer Neutronen verursachen jedoch eine Degradation der Reaktormaterialen. Die strahlungsinduzierten Defekte in der HTS Mikrostruktur beeinflussen die supraleitenden Eigenschaften der Magnetspulen. In dieser Arbeit wurden verschiedene HTS-Bandleiter von unterschiedlichen Herstellern mit schnellen Neutronen auf Fluenzen von bis zu 4.9e22 /m2 bestrahlt. Das ist bei weitem die höchste Fluenz, die je in einer umfassenden Studie an HTS-Bandleitern erreicht wurde. Die Daten in dieser Studie wurden in Transportstrommessungen bei magnetischen Flussdichten von bis zu 15 T ermittelt. Die Messungen von 4 mm breiten Proben wurden bei Temperaturen von 30 K und darüber durchgeführt. Die Proben mit geätzten Brücken wurden auch bei niedrigen Temperaturen bis 4.2 K gemessen. Es wurde ein Einfluss der Neutronen auf alle analysierten supraleitenden Eigenschaften beobachtet. Die kritische Temperatur Tc von YBCO Bandleitern verringert sich bei Bestrahlung mit einer Rate von 2.2 K pro 1e22 /m2 Fluenz. In (Gd,Y)BCO Proben mit APCs war die Reduktion 2.9 K je 1e22 /m2, in reinen GdBCO4 Bandleitern 2.5-3.3 K pro 1e22 /m2. Eine Verschiebung der Irreversibilitätslinie zu niedrigeren Temperaturen ist eine Folge der Tc-Reduktion. Die Steigung der Irreversibilitätslinie wird bei niedrigen Fluenzen größer und sinkt bei hohen Fluenzen wieder. Der kritische Strom (Ic) hat ein nicht-monotones Verhalten bezüglich der Neutronenfluenz. Die Bestrahlung erzeugt Defekte im Material, die als Flussverankerungszentren fungieren. Das vergrößert Ic bei 30 K und 15 T für Fluenzen bis etwa 3e22 /m2, während höhere Fluenzen eine Degradation des kritischen Stromes verursachen. Die Degradation ist temperaturabhängig und tritt bei höheren Temperaturen bei niedrigeren Fluenzen auf. Bei 50 K liegt für die meisten REBCO-Bandleiter die Fluenz, bei der Ic unter den Ursprungswert fällt, bei ungefähr 2e22 /m2. Erwähnenswerte Abweichungen sind YBCO-Bandleiter - sie sind geringfügig strahlenbeständiger und Proben mit APCs - sie degradieren bei niedrigerer Fluenz. Diese geringere Widerstandsfähigkeit von APC Bandleitern ist auf eine höhere Ausgangsdefektdichte zurückzuführen. Extrapolation des Verhaltens bei hohen Temperaturen sagt bei 4.2 K und 15 T eine Degradationsfluenz von 4e22 /m2 für Bandleiter mit APCs voraus und 6e22 /m2 für solche ohne. Der n-Wert ist der Exponent im Potenzgesetz, das die gemessenen IV-Kurven und damit die Verluste beschreibt. Er nimmt nach der Bestrahlung ab, sogar wenn die kritischen Ströme erhöht sind. Das ist insofern überraschend, als der n-Wert oft mit dem Pinningpotential U0 in Verbindung gebracht wird und höhere Werte von U0 meistens größere kritische Ströme bedingen. Die normalisierte Volumspinningkraft von REBCO-Bandleitern zeigt nach Bestrahlung in den meisten Proben über weite Bereiche ein universelles Verhalten. Nur bei den höchsten Fluenzen wurden systematische Abweichungen beobachtet, die bei höheren Temperaturen größer sind. Schlussendlich wird die Physik der nicht-monotonen Fluenzabhängigkeit der kritischen Ströme anhand verschiedener Ansätze diskutiert. Es wird ein Modell präsentiert, das auf der Überlappung der Pinningpotentiale beruht. Durch die Potentialüberlappung reduziert sich die Energiebarriere zwischen benachbarten Defekten was das Flusslinienkriechen begünstigt. Eine quantitative Übereinstimmung mit den experimentellen Daten erfordert eine viel größere Defektdichte, als jene von Kollisionskaskaden, welche in einer früheren Transmissionselektronenmikroskopieanalyse gefunden wurde. Das ist ein Hinweis auf die Bedeutung von Defekten im Subnanometerbereich für die Ic-Degradation, da sie die erforderliche große Dichte aufweisen könnten. Dann erklärt das Modell das Verhalten des n-Wertes und die Temperaturabhängigkeit der strahlungsinduzierten Änderung von Ic.

Nuclear fusion is a CO2 neutral energy source with a high power density. A future nuclear fusion power plant based on magnetic plasma confinement relies on superconducting magnet coils. High magnetic fields are favorable, since the power density scales as its fourth power. In current fusion research projects like ITER, low temperature superconductors produce the magnetic field. However, due to their intrinsic properties, the field in the center of the fusion plasma chamber is limited to about 5 T. The application of high-temperature superconductors (HTS) could double this field and therefore enables a substantial reduction of the reactor size. This is associated with a lower demand of material and therefore - in a long term view - potentially lower the building costs of fusion power plants. Nuclear fusion is a very exothermic process with an extremely high activation threshold.The deuterium-tritium reaction is the most favorable one in this respect. However, the high energy neutrons potentially have very destructive effects on the reactor materials. The neutron induced defects in the HTS microstructure influence the superconducting properties of the magnet coils. In this work, different kind of coated conductors from several manufacturers have been irradiated up to a fast neutron fluence of 4.9e22 /m2, by far the highest ever achieved value in a comprehensive study on radiation damage of HTS tapes. The data in this study have been obtained by transport current measurement in background fields of up to 15 T on 4 mm wide samples at temperatures down to 30 K, and in patterned tapes down to 4.2 K. A radiation induced change of all examined superconducting properties could be observed. The critical temperature (Tc) of YBCO tapes decreased by 2.2 K per 1e22 /m2. In (Gd,Y)BCO samples with artificial pinnning centers (APC) the decline was 2.9 K per 1e22 /m2, in clean GdBCO tapes 2.5-3.3 K per 1e22 /m2. A shift of the irreversibility line to lower temperatures is a consequence of the Tc reduction, but its slope increases at low fluences and decreases again at very high fluences. The critical currents (Ic) also show a non-monotonic behavior with neutron fluence. The radiation induced defects act as additional pinning centers. This enhances Ic at 30 K and 15 T for fluences of up to very roughly 3e22 /m2, while higher fluences cause Degradation of the critical currents. The point of degradation is temperature dependent and occurs at lower fluences at higher temperatures. At 50 K, the fluence where Ic falls below its initial value is around 2e22 /m2 in most tapes. Notable deviations are found for YBCO tapes, which can withstand slightly more radiation load while tapes containing APCs degrade at a lower neutron fluence. This lower radiation resistance of coated conductors with APCs is attributed to a higher initial defect density. Extrapolation from the behaviour at higher temperatures indicates that tapes with APCs degrade at a fluence of 4e22 /m2 at 4.2 K and 15 T , while tapes without APCs sustain a fluence of 6e22 /m2 without degradation under these conditions. The n-value - the exponent in the powerlaw that describes the measured IV-curves, decreases after irradiation, even at low fluences where the critical currents are enhanced. This is insofar surprising, since the n-value is often associated with the pinning potential U0 and a higher pinning potential in general favors a higher Ic. The normalized volume pinning force of the REBCO tapes shows in most tapes a universal behavior after irradiation in a wide fluence range. Only at the highest neutron fluences, a systematic deviation was observed, being more pronounced at higher temperatures. Finally the physics of the non-monotonic fluence dependence of the critical currents is discussed by various approaches. A model considering the overlap of the pinning potentials is proposed. This overlap reduces the energy barrier between the defects and increases the flux creep. A quantitative agreement with experimental data requires a much higher defect density than that of collision cascades, which were observed in previous transmission electron microscopy (TEM) studies. This may indicate the importance of subnanometer sized defects, which could have sufficient density for the observed degradation of Ic. The model then explains the behavior of the n-value and the temperature dependence of the radiation induced changes of Ic.