Analysis of high temperature superconductors for applications in fusion magnets

Abstract

In this work three different High Temperature Superconducting (HTS) tapes were analysed in view of their applicability in fusion reactors. The primary superconducting parameters as well as the influence of neutron irradiation on the conductors were determined over a wide temperature and magnetic field range. A new characterization technology was developed which allows to analyse the local defect structure in flat conductors without destroying them.<br />Furthermore, the homogeneity and the current carrying capability of the tapes can be determined very rapidly and simply. The samples were analysed by different measuring techniques and facilities and the results compared. The measurement facilities and the measuring routines were adapted and optimized to the needs of the conductors to exclude systematic errors. The results are compared with different theories to achieve a better understanding of the magnetic field behaviour and the changes due to neutron irradiation. However, the main aim was to examine the conductor properties under possible fusion reactor conditions. Therefore, the design parameters of the ITER conductor were compared with those of the HTS conductors. The changes of the primary superconducting parameters under the expected neutron fluence over the design life time of the ITER reactor (1x10 (22) m (-2)) were determined.<br />The required critical current densities and magnetic fields could be reached in all conductors at a temperature of 50 K and below. They were not reached at higher temperatures, where liquid nitrogen could be used.<br />However, the development within the last few years showed that the quality of the conductors can still be improved. Neutron irradiation up to the ITER design fluence does not limiting their application in fusion reactors.

In dieser Arbeit wurden drei verschiedene Hochtemperatursupraleiter (HTSL) auf eine mögliche Anwendung in Fusionsreaktoren untersucht. Ihre primären supraleitenden Eigenschaften sowie der Einfluß von Neutronenbestrahlung wurden über einen großen Temperatur- und Magnetfeldbereich bestimmt. Weiters wurde eine neue Charakterisierungstechnik entwickelt, die es erlaubt, die Leiter auf lokale Defekte zu untersuchen, ohne daß diese dabei zerstört werden müssen. Damit können die Homogenität und die Stromtragefähigkeit der Leiter einfach und schnell bestimmt werden. Die Proben wurden mittels verschiedener Meßtechniken und Geräte analysiert und die Ergebnisse verglichen. Die Meßgeräte sowie die Meßroutinen wurden an die Erfordernisse der Leiter angepaßt und optimiert, um systematische Meßfehler ausschließen zu können. Die erhaltenen Ergebnisse wurden mit verschiedenen Theorien aus der Literatur verglichen, um das Verhalten der Leiter im Magnetfeld sowie unter Neutronenbestrahlung besser zu verstehen. Das Hauptaugenmerk wurde aber darauf gelegt, die heute zur Verfügung stehenden Leiter auf eine mögliche Anwendung in Fusionsreaktoren zu untersuchen. Dazu wurden die supraleitenden Designparameter der ITER Leiter mit jenen von HTSL Leitern verglichen. Weiters wurden die Änderungen der supraleitenden Parameter aufgrund der Neutronenbestrahlung während der Lebenszeit des Reaktors (1x1022 m-2) untersucht. Zusammenfassend kann man sagen, daß die Leiter, die während dieses Projektes zur Verfügung standen, die geforderten Stromdichten und Magnetfelder bei einer Temperatur von 50 K erreichen. Bei höheren Temperaturen, bei denen man Stickstoff verwenden könnte, werden die erforderlichen Parameter nur knapp nicht erreicht. Die Entwicklungen in den letzten Jahren haben aber gezeigt, daß die Eigenschaften der Leiter noch verbessert werden können. Auch Neutronenbestrahlung bis zur ITER Design Fluence beeinträchtigt die Eigenschaften der Leiter nicht für die Anwendung in Fusionsreaktoren.