Relevance of the irreversible degradation of superconducting Nb3Sn wires and cables caused by transverse stress at room temperature within the FCC study at CERN

Abstract

Die Future Circular Collider (FCC) Studie ist eine Forschungsstudie, die die Realisierbarkeit und das Konzept eines zukünftigen Teilchenbeschleunigers als Nachfolger des Large Hadron Colliders (LHC) erarbeitet. Die Studie untersucht den Bau eines ringförmigen Beschleunigers mit einem Umfang von 80 km bis 100 km und soll für Anwendungen über den Kapazitäten des High Luminositiy LHC (HL-LHC), voraussichtlich nach 2035, dienen. Als endgültige Betriebsart ist ein Protonenbeschleuniger (FCC-hh) mit einer Kollisionsenergie von bis zu 100 TeV und einer Luminosität von 5 x 10 38 m-2 s-1 bis 30 x 10 38 m-2 s-1 vorgesehen. Ein Teil der Sudie ist die Forschung und Entwicklung von supraleitenden Ablenkmagneten mit einem nominalen Feld von 16 T bis 20 T bei einer Betriebstemperatur zwischen 4.3 K und 1.9 K. Nb3Sn-Multifilamentdrähte wurden als Grundlage für den Leiter ausgewählt. Um den Bau und Betrieb solcher Beschleunigermagnete zu erforschen und zu entwickeln, wurde ein 16 T Dipol-Programm gestartet. Neben vielen anderen Aspekten wird die Fertigung dieser Beschleunigermagneten untersucht. Das geplante supraleitende Material Nb3Sn ist sehr spröde und seine Eigenschaften sind druckabhängig. Aus diesem Grund ist eine Charakterisierung des mechanischen Verhaltens sowie der Degradation der supraleitenden Eigenschaften auf Grund der mechanischen Belastungen für die Fertigung der Spulen sowie den Bau der Magnete entscheidend. Die supraleitenden Spulen werden aus unreagierten Nb3Sn Rutherford-Kabeln gewickelt und anschließend einer Wärmebehandlung mit Temperaturen von bis zu 650 C unterzogen, wodurch sich die supraleitende A-15 Phase Nb3Sn bildet („wind and react“-Technik). Anschließend werden die Spulen inklusive Instrumentierung und Quench-Heizern mittels Vakuum-Druck-Verfahren mit Epoxidharz imprägniert, wobei die Rutherford-Kabel zuvor mit einer Fieberglas-Isolation umwickelt worden sind. Jegliche Bewegungen des Leiters können zu einer Störung des Betriebes oder im ungünstigsten Fall zur Zerstörung des Magneten führen. Aus diesem Grund werden die imprägnierten Spulen dauerhaft vorgespannt. So können die stromführenden Leiter der enormen Lorentzkraft während des Betriebes standhalten. Die Vorspannvorrichtung supraleitender Magnete, realisiert durch beispielsweise Collars oder Bladder-and-Key Systeme, spannen die Spulen beim Zusammensetzen des Magneten mit 70 MPa bis 150 MPa vor, woraus eine beabsichtigte bleibende Vorspannung von 50 MPa bis 120 MPa resultiert. Abhängig von den Fertigungsgenauigkeiten kann es entlang der Spule während des Vorspannungsprozesses zu lokalen Stressspitzen kommen, die den Supraleiter beschädigen und somit eine unbeabsichtigte irreversible Degradation hervorrufen können. Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der irreversiblen Degradation des Supraleiters, verursacht durch transversalen Stress bei Raumtemperatur, der repräsentativ für die mechanischen Belastungen während der Fertigung, im Speziellen des Vorspannungsprozesses, steht. Ein Experiment an Kabeln wurde ausgearbeitet, um so den Degradationsvorgang nahe der realen Situation während des Vorspannungsprozesses nachzubilden. Zusätzlich wurde ein Experiment mit Drähten durchgeführt, um den Mechanismus und die Ursache des Degradationsprozesses im Detail zu analysieren. Dazu wurde die Arbeit in folgende Teilbereiche aufgeteilt: Eine existierende hydraulische Presse wurde modernisiert, um einen homogenen Druck auf Kabel- und Drahtproben auszuüben. Hydraulische Steuerkomponenten sowie Instrumentierungen wurden erneuert, um einen genauen und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Um die Homogenität der Druckverteilung auf die Proben zu optimieren, wurden druckempfindliche Folien in Kombination mit einer selbstentwickelten Evaluierungssoftware genutzt. Die hydraulische Presse wurde für die beiden in der Folge beschriebenen Experimente verwendet. Imprägnierte Rutherford-Kabel wurden mit transversalem Druck bei Raumtemperatur belastet und anschließend wurde ihr kritischer Strom in der FRESCA Kabelteststation des CERN bei Tieftemperatur gemessen. Dieser Vorgang wurde iterativ mit steigendem Drucklevel wiederholt. Die FRESCA Kabelteststation verfügt über eine Stromquelle mit bis zu 32 kA und einen Dipolmagneten mit einem nominalen Feld von 9.6 T. Die Probe kann mittels Kühlung mit flüssigem oder supraflüssigem Helium bei einer Temperatur von 4.3 K oder 1.9 K gemessen werden. Um den Degradationseffekt genauer zu untersuchen sowie auch das Spektrum an Messmethoden zu erweitern, wurden ebenso die Auswirkungen des transversalen Stresses auf einzelne Drähte bei Raumtemperatur untersucht. Dazu wurden Drähte mittels der oben erwähnten hydraulischen Presse mit Druck belastet. Nach jedem Drucklevel wurde eine Transportstrommessung von bis zu 150 A im Selbstfeld mittels eines selbstentwickelten Kryostatenaufbaus durchgeführt. Der supraleitende Draht wurde konduktiv, mittels flüssigen Heliums eines Phasenseparators und Wärmetauschern, gekühlt. Anstatt eines außen angelegten Magnetfeldes wurde die Probentemperatur bis nahe der kritischen Temperatur erhöht, um so den kritischen Strom in einen realisierbaren Bereich zu schieben. Dieses unübliche Konzept wurde zum einem gewählt um mechanisches Beanspruchen, d.h. Lorentz Kräfte, während den Tieftemperaturmessungen zu vermeiden. Zum anderen wurde eine alternative kosteneffiziente Messmethode zur Charakterisierung supraleitender Drähte mit hohem Durchsatz demonstriert. Der Kryostatenaufbau diente als Machbarkeitsstudie einer Messstation für Drähte ohne zusätzlichen Magneten und ohne kontinuierliche Versorgung von flüssigem Helium, d.h. eine Realisierung mit einem kryogenen Kühlsystem (zweistufigem Cryocooler). Ergänzend wurden kurze Probenstücke mit äquivalentem Druck belastet und einer Magnetisierungsmessung mit einem SQUID Magnetometer unterzogen, um die Transportstrommessungen zu überprüfen. Weiters wurde eine Röntgentomographie belasteter und unbelasteter Proben veranlasst, um mittels Finite-Elemente-Analyse die Druckverteilung im Draht, im Speziellen auf die supraleitenden Sub-Elemente, zu simulieren. Zusätzlich wurden belastete und unbelastete Kabel- sowie Drahtproben einer metallographischen Studie unterzogen, um so in einer Elektronenrastermikroskopie die Degradation der (Mikro-) Struktur zu untersuchen. Die Messung des kritischen Stroms der imprägnierten Rutherford-Kabel zeigte eine erste Degradation nach einer Belastung von 175 MPa. Dies geht einher mit den Ergebnissen der Mikroskopie, die erste Brüche in den supraleitenden Sub-Elementen nach einer Belastung von 175MPa nachgewissen hat. Die Brüche verlaufen vorwiegend in longitudinaler Richtung, im Gegensatz zu Brüchen, die von Biege- oder Axialbelastung verursacht werden. Im Rahmen des Drahtprojekts konnte der Degradationsprozess des kritischen Stroms und weiterer intrinsischer supraleitender Eigenschaften grundlegender untersucht werden. Die Mikroskopie zeigte eine erste plastische Deformation nach einer Belastung von 50 MPa und eine Entstehung von Brüchen in den fragilen Sub-Elementen nach einer Belastung von 100 MPa. Die plastische Deformation der Kupfermatrix erzeugt eine verbleibende Vorspannung auf die supraleitenden Sub-Elemente, wodurch eine Veränderung der druckabhängigen Eigenschaften festgestellt werden konnte. Ab einer Belastung von 100 MPa beginnt die Degradation, verursacht durch Brüche im supraleitenden Material. Sowohl die realisierte Transportstrommessung nahe der kritischen Temperatur als auch die Magnetisierungsmessungen zeigten sich als geeignet um irreversible Auswirkungen von transversalem Stress bei Raumtemperatur auf die supraleitenden Eigenschaften zu beobachten.

The Future Circular Collider (FCC) study is aiming to develop a conceptual design for a future particle accelerator for objectives beyond the capabilities of the Large Hadron Collider (LHC) including its high luminosity upgrade, which is planned to expire after 2035. The study investigates the feasibility of a circular collider with a circumference between 80 km and 100 km. The final option is a hadron collider (FCC-hh) to achieve a collision energy of up to 100 TeV and a luminosity of 5 x 10 38 m-2 s-1 to 30 x 10 38 m-2 s-1. One part of the study is the research and development of superconducting bending magnets with a nominal field of 16 T to 20 T at an operational temperature between 4.3 K and 1.9 K. Multifilamentary Nb3Sn wires are considered as the baseline for the conductor. Therefore, a 16 T dipole development programme was launched to investigate the feasibility of fabricating and operating high field accelerator magnets with the required performance. Among other research topics, the magnet manufacturing process is studied. The high brittleness and strain sensitivity of Nb3Sn make research on the mechanical limits of the coil at magnet manufacturing and its effects on the electrical performance essential. One of the objectives of this technology programme is the investigation of the degradation of the conductor during the magnet assembly. The Nb3Sn coils are wound of non-reacted Rutherford cables and subjected to a reaction heat treatment of up to 650 C, in which the superconducting A-15 phase Nb3Sn is formed (“wind and react” technique). Afterwards, the coil including the instrumentation and quench heaters are impregnated with epoxy resin to ensure electrical insulation between the cable turns, which are initially separated by braided fibre glass. Regardless of the geometry of the coil, enormous Lorentz forces during operation require mechanical force-restraining structures to prevent movements of the superconductor. These movements can cause training or disturbance quenches followed by a failure of the magnet. Force-restraining structures are applying high nominal stress in the order of 70 MPa to 150 MPa on the coil during magnet assembly. This is implemented with e.g. collars or bladder-and-key concepts resulting in a desired residual pre-stress between 50 MPa to 120 MPa. Depending on the homogeneity of the stress and the production accuracy, the application of the load may cause even higher local stresses leading to undesired irreversible damage of the superconductor. The objective of this thesis is to analyse the irreversible performance loss of the superconductor caused by transverse compressive stress exerted at room temperature during the magnet assembly, especially the force-restraining procedure. First, a cable study was launched to gain quantitative results of the degradation under conditions mimicking the real situation during the magnet assembly. Additional, the degradation mechanism was investigated in detail on single wires. Following this approach, the presented thesis consists of the following subtasks: An existing hydraulic press was refurbished to guarantee a well-defined homogeneous stress application on the specimens. State-of-the-art hydraulic components and calibrated instrumentation were used to ensure accurate and reliable operation. To facilitate the optimisation of the stress homogeneity on the specimens surface, an evaluation software for pressure-sensitive films was developed. The refurbished press served as a necessary and essential tool in the major experiments explained below. Impregnated Rutherford cable double stacks were exposed to transverse compressive stress and their electrical performance was tested in the FRESCA cable test station. FRESCA compatible samples were iteratively exposed to homogeneous stress at room temperature by using the above mentioned hydraulic press. Subsequently, their critical current was measured at low temperature. The FRESCA cable test station supplies a test current of up to 32 kA and a nominal background magnetic field of 9.6 T. The sample can be cooled to a temperature of 4.3 K or 1.9 K by using liquid or superfluid helium, respectively. To investigate the effect of degradation in a more general case and to widen the spectrum of measurement methods, the degradation of single wires due to transversal stress at room temperature was also measured. For this purpose, single wires were exposed to stress by the above mentioned hydraulic press. Subsequently, transport current measurements were performed in a self-designed cryostat setup with a test current of up to 150 A. The sample was conductively cooled by the use of liquid helium, a phase separator and heat exchangers. Instead of using an applied magnetic field to shift the critical current into the accessible range, the temperature was adjusted close to the critical temperature. This unusual measurement principle was chosen, on the one hand, to avoid additional forces, i.e. Lorentz force, during the low-temperature measurements. On the other hand, an alternative method was demonstrated to characterise superconducting wires in a cost-efficient way with high throughput. The setup served as a feasibility study for a measurement station for wires without a background magnet and without continually supplying liquid helium, i.e. an implementation with a cryogenic refrigerator system (two-stage cryocooler). For confirmation of these transport current measurements, a magnetisation measurement campaign of short samples was performed with a SQUID magnetometer. Moreover, an X-ray tomography following a finite element analysis was performed to get the stress distribution within the wire, especially on the sub-elements. Finally, a supplementary metallographic preparation of specimens, wires and cables after stress exertion, was carried out. This was performed to investigate the changes in the (micro-) structure with a scanning electron microscope. The measurement of a double cable stack with a particular configuration and impregnation showed a start of degradation of the critical current at 175 MPa. These results are correlated with the crack initiation in the Nb3Sn sub-elements revealed by the metallographic observation, leading to current sharing within the cable. The induced cracks are mainly in longitudinal direction, contrasting fracture shapes caused by bending or axial loads. The wire investigation provided a detailed picture of the degradation process of the critical current as well as the intrinsic properties of the superconductor, independent of the cable or coil properties. The microscopy analysis revealed that the plastic deformation of the wire started at 50 MPa, and the crack initiation at 100 MPa. The plastic deformation of the copper matrix below the crack initiation threshold generated a residual strain on the superconducting sub-elements. This resulted consequently in the change of strain-depending properties of the superconductor. After applying 100 MPa, the performance of the wire decreased due to the fracture of the sub-elements. Both, implemented transport current measurements close to the critical temperature and the magnetisation measurements were shown to be suitable to monitor irreversible effects after the application of transverse stress at room temperature.