Superconductividad para la sostenibilidad: un nuevo enlace superconductor para la alta

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Un criostato flexible y la primera serie de cables de diboruro de magnesio superconductores de alta temperatura formarán una innovadora línea de transferencia eléctrica para alimentar los imanes triples internos del HL-LHC.

3 marzo, 2023

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Por Chetna Krishna

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande y poderoso del mundo, es también la máquina individual más grande que opera en el mundo hoy en día que utiliza superconductividad. Los haces de protones dentro del LHC se doblan y enfocan alrededor del anillo acelerador usando electroimanes superconductores. Estos electroimanes están construidos a partir de bobinas, hechas de cables de niobio-titanio (Nb-Ti), que tienen que operar a una temperatura más fría que la del espacio exterior para ser superconductores. Esto permite que la corriente fluya sin ninguna resistencia o pérdida de energía. El LHC de alta luminosidad (HL-LHC), una actualización del LHC, contará por primera vez con innovadoras líneas de transferencia eléctrica conocidas como "Enlaces superconductores".

Recientemente, la instalación de prueba de imanes SM18 del CERN fue testigo de la integración exitosa de la primera serie de cables superconductores de diboruro de magnesio en un nuevo criostato flexible. Junto con los cables de diboruro de magnesio (MgB2) superconductores de alta temperatura (HTS), formarán una línea de transferencia superconductora única para alimentar los imanes triples internos del HL-LHC. Los tripletes son los imanes de enfoque que enfocan el haz, justo antes de las colisiones, a un diámetro tan estrecho como 5 micrómetros.

Conocido coloquialmente como "python", el criostato corrugado flexible de doble pared consta de 19 cables superconductores MgB2 en un solo ensamblaje, retorcidos para formar un paquete compacto. Cada cable de MgB2 tiene unos 140 metros de largo, con un diámetro del haz de unos 90 mm. Juntos, estos 19 cables superconductores pueden transferir una corriente continua de unos 120 kA a 25 K (-248 °C), una temperatura superior a la que operan los superconductores convencionales. En el LHC, los cables de niobio-titanio (Nb-Ti) y niobio-estaño (Nb3Sn) funcionan en helio superfluido a 1,9 K (-271,3 °C), una temperatura más fría que los 2,7 K (-270,5 °C) del exterior. espacio. Los cables de MgB2 del Enlace Superconductor son enfriados por un flujo forzado de gas helio. "La I + D realizada en la fase inicial del proyecto LHC ha hecho que la producción en curso sea confiable y repetible", dice el líder del proyecto HL-LHC, Oliver Brüning.

Este nuevo tipo de línea de transmisión superconductora también tiene potencial para la tecnología de aceleradores externos. Estas líneas pueden transferir grandes cantidades de corriente dentro de un diámetro pequeño y, por lo tanto, podrían usarse para entregar electricidad en grandes ciudades o para conectar fuentes de energía renovable a áreas pobladas. Recientemente, el CERN y Airbus UpNext firmaron un acuerdo de colaboración para evaluar el uso de la transmisión superconductora para futuros aviones de bajas emisiones.

Pero la novedad de este material superconductor no es el único componente secreto para una línea de transferencia superconductora sostenible.

“Una de las bellezas de este nuevo sistema es que la operación criogénica del Enlace Superconductor se hace a costo cero porque transfiere el gas helio que en todo caso se necesita para enfriar los conductores de corriente”, dice Amalia Ballarino, subdirectora de Grupo de Imanes, Superconductores y Criostatos del CERN. "Entonces, los enlaces superconductores actúan como línea de transferencia eléctrica y de helio".

La instalación SM18 del CERN continuará albergando el ensamblaje y las pruebas de los enlaces superconductores (diez, en total, para el HL-LHC) hasta que se instalen en el túnel del LHC durante el cierre prolongado 3, programado para comenzar en 2026. El primer HL- El enlace superconductor del LHC entrará en funcionamiento este año, cuando se conectará al criostato con los cables de corriente HTS REBCO (óxido de cobre y bario de tierras raras) en un lado y a las conexiones Nb-Ti en el otro. La integración de estas nuevas tecnologías clave (novedosos cables superconductores hechos de MgB2, criostatos flexibles largos y de baja carga estática de calor y cables de corriente REBCO HTS) marca el comienzo de un enfoque sostenible para la transmisión eléctrica para el futuro de los aceleradores del CERN, comenzando con el HL- LHC.