In-Situ Measurement of the Resistivity during Annealing of Neutron Irradiated High-Temperature Superconductors

Abstract

Die Kernfusion wird seit Jahrzehnten als potenzielle Energiequelle der Zukunft erforscht. Für die in Fusionsreaktoren erforderlichen hohen Magnetfelder bieten Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) gegenüber Tieftemperatur-Supraleitern Vorteile, da sie kompaktere Magnetdesigns ermöglichen. Eine zentrale Herausforderung ist die Degradation von HTS unter Neutronenbestrahlung. Frühere Studien von Unterrainer, Fischer, Lorenz, et al. haben gezeigt, dass die Degradation von neutronenbestrahltem Seltenerd-Barium-Kupferoxid (REBCO) HTS durch thermische Behandlungen teilweise rückgängig gemacht werden kann. Dabei wurde eine lineare Wiederherstellung von T_c sowie eine nicht-monotone Erholung von j_c mit zunehmender Annealingtemperatur beobachtet [1]. Jedoch bleiben die zugrunde liegenden Defektwiederherstellungsprozesse und charakteristischen Temperaturen unklar. Es wird erwartet, dass dieselben Defekte, die die Suprafluiddichte (ρ_s) beeinflussen, auch zum spezifischen Widerstand im Normalzustand (ρ_n) beitragen, wie durch die Matthiessen-Regel und das Homes-Gesetz beschrieben. Ein chemisches Ätzverfahren sowie zwei Generationen von maßgeschneiderten Probenhaltern mit integrierter Messtechnik wurden für die in-situ Wärmebehandlung von REBCO-Supraleitern entwickelt, getestet und erfolgreich eingesetzt. Die Wärmebehandlungen wurden in reiner Sauerstoffumgebung bei Temperaturen zwischen 50 °C und 450 °C durchgeführt. Unbestrahlte Bruker (YBCO)-Proben zeigten das erwartete Widerstandsverhalten, während SuperPower (GdBCO)-Proben zunächst anomale Messkurven aufgrund eines Kurzschlusses zwischen der Silberschicht und dem Substrat aufwiesen, welcher durch eine Anpassung des Ätzmusters behoben werden konnte.Der thermische und schnelle Neutronenfluss wurde im zentralen Bestrahlungsrohr (ZBR) und in einer Bestrahlungsposition außerhalb des Reflektors bei einer Reaktorleistung von 250 kW mittels Neutronenaktivierungsanalyse und γ-Spektroskopie bestimmt. Die berechneten Flusswerte wurden bezüglich der Bestrahlungszeit korrigiert. Für den thermischen Fluss wurde der Neutroneneinfangquerschnitt für die Neutronentemperatur angepasst und eine Positionskorrektur durchgeführt. Dies ergab thermische Neutronenflüsse von Φ_th = 9,51 × 10^16 m^−2 s^−1 (ZBR) und 3,73 × 10^15 m^−2 s^−1 (Position außerhalb des Reflektors). Die schnellen Flusswerte wurde mithilfe der Methode der effektiven Schwellenenergie berechnet, wobei erhebliche Unsicherheiten durch die Wahl der Neutronenabsorptionswirkungsquerschnitte und Schwellenenergien bestehen.Diese Arbeit stellt eine validierte Messplattform bereit und liefert bestmögliche Flussdaten, wodurch die Grundlage für zukünftige quantitative Untersuchungen zur Defektwiederherstellung in bestrahlten REBCO-Supraleitern geschaffen wird.

Nuclear fusion has been researched for decades as a potential energy source of the future. For the high magnetic fields required in fusion reactors, high-temperature superconductors (HTS) offer advantages over low-temperature superconductors, enabling more compact magnet designs. A key challenge is the degradation of HTS under neutron irradiation. Previous studies conducted by Unterrainer, Fischer, Lorenz, et al. demonstrated that the degradation of neutron-irradiated rare-earth barium copper oxide (REBCO) HTS can be counteracted by thermal treatments. These HTS showed partial linear recovery of T_c and non-monotonic recovery of j_c with increasing annealing temperature [1], but the underlying defect recovery processes and characteristic temperature windows remain unclear. In this work, in-situ resistance measurements during annealing are used to identify these recovery temperatures, based on the expectation that the same defects affecting superfluid density (ρ_s) also contribute to normal-state resistivity (ρ_n) as described by Matthiessen’s rule and Homes’ law.A chemical etching process and two generations of custom sample holders with integrated instrumentation were developed, validated and successfully deployed for in-situ thermal treatment of REBCO tapes. The annealing runs were performed in pure oxygen atmosphere, using temperature profiles between 50 °C and 450 °C. Pristine Bruker (YBCO) samples showed expected resistance behavior, while SuperPower (GdBCO) samples initially exhibited anomalous curves due to a short circuit between the silver layer and the substrate, which was resolved by adapting the etching pattern.Thermal and fast neutron fluxes were determined at the central irradiation position (CIP) and irradiation tube located outside the graphite reflector at a reactor power of 250 kW using neutron activation analysis and γ-spectroscopy. The computed flux values were corrected for irradiation time. For the thermal flux, the neutron absorption cross-section was corrected for the neutron temperature, and a position correction was applied. This yielded thermal neutron fluxes of Φ_th = 9.51 × 10^16 m^−2 s^−1 at the CIP and 3.73 × 10^15 m^−2 s^−1 at the irradiation tube outside the graphite reflector. Fast flux was estimated using effective threshold energies, with substantial uncertainties due to neutron absorption cross-section and threshold energy selection.