Analysis of coupled coated conductors for fusion magnet applications

Abstract

In den letzten Jahren zeigten Studien über die mögliche Verwendung technischer Hochtemperatursupraleiter (Bandleiter) für zukünftige Fusionskraftwerksspulen durchwegs positive Ergebnisse. Nach der Bestrahlung mit Neutronen erreichten Bandleiter annähernd gleiche kritische Stromdichten und Temperaturen wie im unbestrahlten Zustand.<br />Das Einbringen künstlicher Verankerungszentren durch Neutronenbestrahlung, deren Größe ungefähr der Kohärenzlänge des Supraleiters entspricht, führte sogar zu größeren Verankerungskräften im Supraleiter und dadurch zu höheren kritischen Strömen bei hohen Feldern.<br />Zur Verwendung in zukünftigen Magnetspulen, müssen die Bandleiter zu Kabeln verarbeitet werden. Eines der erfolgversprechendsten Kabelkonzepte ist das Roebelkabel. Der Stromfluss zwischen gekoppelten Einzelleiter in einem Roebelkabel, sowie die Wechselstromverluste verursacht durch gekoppelte Schleifen, sind bisher jedoch noch nicht gänzlich verstanden. Weiters wurden die mechanische Zugfestigkeit und die Abhängigkeit des kritischen Stroms von der mechanischen Zugspannung bisher nie an bestrahlten Proben untersucht. Aus diesen und anderen Gründen ist die Eignung von Bandleitern bzw. von Roebelkabeln in Fusionsspulen nach wie vor ungeklärt. Einige dieser Fragen sollen mit Hilfe dieser Arbeit geklärt werden.<br />Supraströme sollten die Möglichkeit haben, Defekte in einem einzelnen Leiter zu umfließen, weshalb die Einzelleiter eines Roebelkabels resistiv verbunden werden sollten. Diese Verbindungen bilden jedoch geschlossene Schleifen, wodurch in Wechselfeldern Kopplungsströme induziert werden, die wiederum zu Wechselstromverlusten führen.<br />Bisher wurden Roebelkabel mittels verschiedener Techniken gekoppelt, ohne allerdings Einzelheiten des lokalen Stromflusses zu untersuchen.<br />In dieser Arbeit wurden deshalb Einzelleiter eines Roebelkabels in verschiedenster Weise miteinander gekoppelt und untersucht. Zusätzlich wurde ein Modell zur Berechnung der Wechselstromverluste bei niedrigen und hohen Feldern erstellt. Verlustmessungen an den gekoppelten Proben, sowie zeit-aufgelöste Messungen der lokalen Felder zeigten gute Übereinstimmung mit den theoretischen Modellen. Weiters wurde ein Inversionsalgorithmus geschrieben, mit dessen Hilfe man den lokalen Stromfluss und die Wechselstromverluste aus der Messung des lokalen Feldes berechnen kann.<br />Die lokale Stromverteilung während einer Zeitperiode konnte dadurch aus Messungen der lokalen Feldverteilung berechnet werden. Sowohl Feldverteilung als auch Stromverteilung wurden in Bezug auf schwach-, mittel- und stark gekoppelte Zustände in Wechselfeldern untersucht. Es zeigte sich, dass die Breite der Bänder (wie auch der Widerstand der Verbindungen, Frequenz,...) eine kritische Größe für die induzierten Ströme sowie für die Verluste darstellt. Wie schon in vorhergehenden Arbeiten wurden aktuelle Bandleiter vor und nach Neutronenbestrahlung charakterisiert, um den Fortschritt in der Entwicklung der Materialien nicht aus den Augen zu verlieren. In dieser Arbeit wurde erstmals eine deutliche Reduzierung der kritischen Stromdichte Jc und der kritischen Temperatur Tc in einem Bandleiter nach der Bestrahlung beobachtet.<br />Ein Zugversuchsaufbau für Bandleiter, mit dem die Abhängigkeit des kritischen Stromes von der Zugspannung gemessen werden kann, wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Winkelaufgelöste Messungen in Magnetfeldern bis 1.4 T wurden bei angelegten Zugspannungen realisiert.<br />Die weltweit ersten Zugversuche an Bandleitern nach einer Neutronenbestrahlung demonstrierten außergewöhnliche mechanischen Eigenschaften der Bandleiter. Des weiteren erhöhte sich die Sensitivität von Ic bezüglich der Zugspannung in einem Bandleiter deutlich nach der Bestrahlung. Die Ergebnisse zeigen viel-versprechende Aussichten für die Verwendung von HTS-Bandleitern in zukünftigen Fusionsspulen. Um jedoch allen Anforderungen einer Fusionsspule gerecht zu werden, sind weitere substanzielle Entwicklungen von Bandleitern und Kabeln notwendig.<br />

In recent years several studies on the usability of technical high temperature superconductors (coated conductors) for future fusion power plants reported promising results. Neutron irradiation to the expected fluence has not shown significant reductions in critical currents and temperatures. On the contrary, the introduction of defects with a size matching the superconducting coherence length has led to enhanced flux pinning. Nowadays, manufacturers are trying to introduce artificial pinning centres during the fabrication process in order to achieve the same pinning force enhancement. Coated conductors have to be assembled somehow for engineering high field magnet coils and therefore powerful cables are needed. The Roebel Assembled Coated Conductor - concept (RACC or Roebel-cable) and/or Rutherford cables are promising options for such cables.<br />Many questions about inter strand coupling and therefore about AC losses in Roebel cables have not yet been answered. Furthermore, mechanical stress, critical current and temperature behaviour of state-of-the-art coated conductors before and after neutron irradiation are unknown.<br />Therefore, the usability of Roebel cables made of coated conductors for fusion applications is still open. Important issues for the development of suitable cables are addressed in this work.<br />Super-currents should be able to bypass defects in single strands of a superconducting Roebel-cable. Therefore, resistive connections between these strands are needed. These connections form closed loops and coupling currents induced by external AC fields lead to additional losses. Strands of Roebel cables were coupled by different techniques in the last years and were measured without a detailed knowledge about the mechanisms in the resistively connected superconducting loops.<br />Therefore, different coupling situations with different geometries have been realised in this study. Models for AC losses at low and high fields were developed in order to calculate the induced currents and their resulting losses. AC loss measurements and time resolved maps of the local field penetration confirm the model calculations. An inversion algorithm was written for the calculation of the local current flow and the global AC losses from the field penetration. Current and field distributions have been mapped in detail during one AC cycle for uncoupled, fully coupled and intermediate situations. This study shows that the width (besides the resistive joints, frequency, ...) of the coated conductor plays a crucial role for the induced currents and consequently for their losses. Similar to previous work, state-of-the-art coated conductors have been measured before and after neutron irradiation in order to monitor recent developments. For the first time a significant reduction of Jc and Tc has been observed in a coated conductor after neutron irradiation. A tensile stress apparatus for assessing the dependence of Jc on tensile stress and strain in coated conductors was developed in this work.<br />Angular resolved measurements in magnetic fields up to 1.4 T were performed. The world's first tensile stress tests on coated conductors after neutron irradiation demonstrate the outstanding mechanical properties of coated conductors even after irradiation. Furthermore, a significant enhancement of the stress sensitivity of Ic after irradiation was found in the reversible region in one tape. Promising perspectives for coated conductors and cables for fusion magnet applications can be deduced from our results, but a substantial further development of conductors and cables is needed to meet the requirements of future nuclear fusion plants.