Nuevas tecnologías superconductoras para el HL

El desarrollo en el CERN de cables de diboruro de magnesio y otros sistemas superconductores avanzados para el LHC de alta luminosidad también está impulsando aplicaciones más allá de la investigación fundamental, describe Amalia Ballarino.

La era de la superconductividad a alta temperatura comenzó en 1986 con el descubrimiento, por parte de los investigadores de IBM Georg Bednorz y Alex Muller, de la superconductividad en un óxido de lantano, bario y cobre. Este descubrimiento fue revolucionario: el nuevo y frágil compuesto superconductor no solo pertenecía a la familia de los óxidos cerámicos, que generalmente son aislantes, sino que tenía la temperatura crítica más alta jamás registrada (hasta 35 K, en comparación con los 18 K de los superconductores convencionales). ). En los años siguientes, los científicos descubrieron otros superconductores de cuprato (bismuto-estroncio-óxido de cobre e itrio-bario-óxido de cobre) y lograron la superconductividad a temperaturas superiores a 77 K, el punto de ebullición del nitrógeno líquido (consulte la figura "El calor aumenta"). La posibilidad de operar sistemas superconductores con nitrógeno líquido económico, abundante e inerte generó un gran entusiasmo en la comunidad superconductora.

Se estudiaron varias aplicaciones de materiales superconductores de alta temperatura con un impacto potencialmente alto en la sociedad. Entre ellos, las líneas de transmisión superconductoras se identificaron como una solución innovadora y eficaz para la transmisión de energía a granel. Las ventajas únicas de la transmisión superconductora son la alta capacidad, el volumen muy compacto y las bajas pérdidas. Esto permite la transferencia sostenible de hasta decenas de GW de potencia en baja y media tensión en canales estrechos, junto con el ahorro de energía. Se han construido demostradores en todo el mundo en conjunto con la industria y las empresas de servicios públicos, algunas de las cuales han operado con éxito en las redes eléctricas nacionales. Sin embargo, la adopción generalizada de la tecnología se ha visto obstaculizada por el costo de los superconductores de cuprato.

En física de partículas, los imanes superconductores permiten que los haces de alta energía circulen en los colisionadores y proporcionan campos más fuertes para que los detectores puedan manejar energías de colisión más altas. El LHC es la máquina superconductora más grande jamás construida y la primera en emplear también superconductores de alta temperatura a escala. Al darse cuenta de su actualización de alta luminosidad y posibles futuros colisionadores está impulsando el uso de materiales superconductores de próxima generación, con aplicaciones que se extienden mucho más allá de la investigación fundamental.

La superconductividad a alta temperatura (HTS) se descubrió en el momento en que se estaba realizando el estudio conceptual del LHC. Si bien los nuevos materiales aún se encontraban en una fase de desarrollo, se reconoció de inmediato el potencial de HTS para su uso en la transmisión eléctrica. La alimentación de los imanes del LHC (que se basan en el niobio titanio superconductor convencional, enfriado por helio superfluido) requiere la transferencia de aproximadamente 3,4 MA de corriente, generada a temperatura ambiente, dentro y fuera del entorno criogénico. Esto se hace a través de dispositivos llamados conductores de corriente, de los cuales más de 3000 unidades están instaladas en diferentes ubicaciones subterráneas alrededor de la circunferencia del LHC. El diseño convencional de conductores de corriente, basado en conductores metálicos enfriados por vapor, impone un límite inferior (alrededor de 1,1 W/kA) a la fuga de calor hacia el helio líquido. La adopción de la cinta HTS BSCCO 2223 (cerámica de óxido de cobre de bismuto, estroncio y calcio), operada en los cables de corriente del LHC en el rango de temperatura de 4,5 a 50 K, permitió desenredar la conducción térmica y la disipación óhmica. La exitosa I+D multidisciplinar, seguida de la creación de prototipos en el CERN y luego la industrialización, con la producción en serie de aproximadamente 1100 cables LHC HTS actuales a partir de 2004, dio como resultado ahorros tanto de capital como operativos (evitando una crioplanta adicional y una economía de aproximadamente 5000 l/h de helio líquido). También fomentó una adopción más amplia de la tecnología de conductores de corriente BSCCO 2223, por ejemplo, en los circuitos magnéticos para el tokamak ITER, que se beneficia a través de un acuerdo de colaboración con el CERN en el desarrollo y diseño de conductores de corriente HTS.

El descubrimiento de la superconductividad en el diboruro de magnesio (MgB2) en 2001 generó un nuevo entusiasmo por las aplicaciones de HTS. Este material, clasificado como superconductor de temperatura media, tiene características destacables: tiene una temperatura crítica (39 K) unos 30 K superior a la del niobio titanio, una alta densidad de corriente (hasta la fecha en campos magnéticos bajos y medios) y, fundamentalmente , se puede producir industrialmente como alambre multifilamento redondo en longitudes largas (km). Estas características, junto con un costo que es intrínsecamente más bajo que otros materiales HTS disponibles, lo convierten en un candidato prometedor para aplicaciones eléctricas.

En el LHC, los conductores de corriente están ubicados en las ocho secciones rectas. Para la mejora de alta luminosidad del LHC (HL-LHC), prevista para estar operativa en 2029, se tomó la decisión de ubicar los convertidores de potencia en nuevas galerías técnicas subterráneas libres de radiación sobre el túnel del LHC. La distancia entre los convertidores de potencia y los imanes del HL-LHC es de unos 100 m e incluye un camino vertical a través de un pozo de 8 m que conecta las galerías técnicas y el túnel del LHC. La gran corriente que debe transferirse a través de esa distancia, la necesidad de compacidad y la búsqueda de eficiencia energética y ahorros potenciales llevaron a la selección de la transmisión HTS como tecnología habilitadora.

La conexión eléctrica, a temperatura criogénica, entre los conductores de corriente del HL-LHC y los imanes se realiza mediante enlaces superconductores basados ​​en tecnología MgB2. El alambre MgB2 se ensambla en cables con diferentes diseños para transferir corrientes que van desde 0,6 kA hasta 18 kA. Luego, los cables individuales se organizan en un conjunto compacto que constituye el cable final que alimenta los circuitos magnéticos de los tripletes internos HL-LHC (una serie de imanes cuadripolares que proporciona el enfoque final de los haces de protones antes de la colisión en ATLAS y CMS) o las secciones de acoplamiento HL-LHC (que hacen coincidir las ópticas de los arcos con las de la entrada de los cuadrupolos de foco final), y el cable final se incorpora en un criostato flexible con un diámetro externo de hasta 220 mm. Los ocho enlaces superconductores HL-LHC tienen una longitud de unos 100 m y transfieren corrientes de unos 120 kA para los tripletes y 50 kA para las secciones correspondientes a temperaturas de hasta 25 K, con refrigeración criogénica realizada con gas helio.

El programa de I+D para los enlaces superconductores HL-LHC comenzó alrededor de 2010 con la evaluación del conductor MgB2 y el desarrollo, con la industria, de un hilo redondo con propiedades mecánicas que permitieran el cableado después de la reacción. Los superconductores frágiles, como el Nb3Sn, utilizado en los cuadrupolos HL-LHC y también en estudio para futuros imanes de alto campo, deben reaccionar en la fase superconductora mediante tratamientos térmicos, a altas temperaturas, realizados después de su montaje en la configuración final. En otras palabras, esos conductores no son superconductores hasta que se hayan realizado el cableado y el bobinado. Cuando se inició el programa de I+D, el conductor industrial de MgB2 existía en forma de cinta multifilamentosa, que ASG Superconductors utilizó con éxito en sistemas de resonancia magnética abiertos industriales para transportar corrientes de unos pocos cientos de amperios. El requisito de que el HL-LHC transfiriera corriente a múltiples circuitos por un total de hasta 120 kA en una configuración compacta, con múltiples pasos de torsión y transposición necesarios para proporcionar una distribución de corriente uniforme tanto en los alambres como en los cables, requería el desarrollo de un alambre redondo multifilamento optimizado.

Realizado en conjunto con ASG Superconductors, este desarrollo condujo a la introducción de delgadas barreras de niobio alrededor de los filamentos superconductores de MgB2 para separar el MgB2 del níquel circundante y evitar la formación de capas de reacción frágiles de MgB2-Ni que comprometen el rendimiento electromecánico; la adopción de polvo de boro de mayor pureza para aumentar la capacidad actual; la optimización en la fracción de Monel (aleación de níquel-cobre utilizada como componente principal del alambre) en el alambre de 1 mm de diámetro para mejorar las propiedades mecánicas; la minimización del tamaño del filamento (alrededor de 55 µm) y el paso de torsión (alrededor de 100 mm) en beneficio de las propiedades electromecánicas; la adición de un estabilizador de cobre alrededor de la matriz de Monel; y el recubrimiento de estaño-plata sobre el cobre para garantizar la calidad de la superficie del cable y una resistencia eléctrica controlada entre los cables (resistencia entre hilos) cuando se ensamblan en cables. Después de la implementación sucesiva y la validación experimental en profundidad de todas las mejoras, se produjo un cable MgB2 robusto de 1 mm de diámetro con las características electromecánicas requeridas.

El siguiente paso fue fabricar unidades largas de alambre de MgB2 a través de palanquillas más grandes (las varillas compuestas ensambladas que luego se extruyen y estiran en un alambre largo). La longitud unitaria objetivo de varios kilómetros se alcanzó en 2018 cuando se lanzó la adquisición en serie del cable. Paralelamente, se desarrollaron y validaron diferentes diseños de cables en el CERN. Esto incluía cables MgB2 redondos en una configuración coaxial nominal para 3 kA y para 18 kA a 25 K (consulte la figura "Cableado complejo"). Si bien los prototipos realizados en el CERN tenían una longitud de 20 a 30 m, el cableado incorporó, desde el principio, características para permitir la producción a través de máquinas de cableado industrial del tipo que se utiliza para los cables convencionales. Las técnicas de empalme, así como los aspectos de detección y protección, se abordaron en paralelo con el desarrollo de alambres y cables. Ambas tecnologías dependen en gran medida de las características del superconductor y son de vital importancia para la fiabilidad del sistema final.

La primera calificación a 24 K de un cable de MgB2 de 20 kA producido en el CERN, compuesto por dos tramos de 20 m conectados entre sí, tuvo lugar en 2014. Esto siguió a la calificación en el CERN de cables de modelo corto y otros aspectos tecnológicos, así como la construcción de una estación de prueba dedicada que permite la medición de cables largos operados a temperaturas más altas, en un flujo forzado de gas helio. Luego, los cables se produjeron industrialmente en TRATOS Cavi a través de un contrato con ICAS, en una estrecha y fructífera colaboración que permitió, mientras operaba equipos industriales pesados, los requisitos identificados durante la fase de I+D. La complejidad de los cables finales requirió un proceso de varios pasos que utilizó diferentes líneas de cableado, trenzado y aislamiento eléctrico, y la implementación de un programa de control de calidad correspondiente. Los primeros cables industriales, que tenían 60 m de largo, se calificaron con éxito en el CERN en 2018. Los cables prototipo finales del tipo necesario para el HL-LHC (tanto para los tripletes como para las secciones correspondientes) se validaron en el CERN en 2020, cuando la producción en serie de los cables finales fue lanzado. A día de hoy, se ha producido la serie completa de aproximadamente 1450 km de alambre de MgB2, la primera producción a gran escala de este material, y cinco de los ocho cables finales de MgB2 necesarios para el HL-LHC.

El uso de hidrógeno puede diversificar las fuentes de energía, ya que reduce significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero y la contaminación ambiental durante la conversión de energía.

Los hilos y cables superconductores son el núcleo de un sistema superconductor, pero el sistema en sí requiere una optimización global, que se logra a través de un diseño integrado. Siguiendo este enfoque, el reto era investigar y desarrollar, en la industria, criostatos largos y flexibles para los enlaces superconductores con un rendimiento criogénico mejorado. El objetivo era lograr una baja carga de calor estático (< 1,5 W/m) en el volumen criogénico de los cables superconductores mientras se adoptaba un diseño (un criostato de dos paredes sin pantalla térmica intermedia) que simplifica el enfriamiento del sistema, mejora la flexibilidad mecánica de los eslabones y facilidad de manipulación durante el transporte y la instalación. Este desarrollo, que se llevó a cabo en paralelo con las actividades de cables y alambres, condujo a los resultados deseados y, después de una extensa campaña de prueba en el CERN, se adoptó la tecnología desarrollada. La producción en serie de estos criostatos se lleva a cabo en Cryoworld en los Países Bajos.

El sistema optimizado minimiza el costo criogénico para el enfriamiento, de modo que un enlace superconductor transfiere, desde el túnel a las galerías técnicas, gas helio suficiente para enfriar la sección resistiva de los conductores de corriente y lo lleva a la temperatura (alrededor de 20 K) para que se optimizan los leads. En otras palabras, el enlace superconductor no agrega costo criogénico a la refrigeración del sistema. Los enlaces, que están dimensionados para corrientes de hasta 120 kA, son lo suficientemente flexibles para ser transportados, como los cables de potencia convencionales, en tambores de unos 4 m de diámetro y pueden ser arrastrados manualmente, sin grandes herramientas, durante la instalación (ver "Corrientes kA " imagen). También se abordó el desafío de lidiar con la contracción térmica de los enlaces superconductores, que se encogen alrededor de 0,5 m cuando se enfrían a temperatura criogénica. Una solución innovadora, que aprovecha las curvas y es compatible con la posición fija del criostato de plomo actual, se validó con pruebas de prototipo.

Mientras que los cables de MgB2 transfieren altas corrientes de CC desde el entorno de helio líquido de 4,5 K en el túnel LHC hasta aproximadamente 20 K en las nuevas galerías subterráneas HL-LHC, se requiere un material superconductor diferente para transferir la corriente de 20 a 50 K, donde la resistiva parte de los conductores de corriente hace el puente a temperatura ambiente. Para hacer frente a los requisitos del sistema, nuevos cables de corriente HTS basados ​​en REBCO (óxido de cobre y bario de tierras raras) cinta superconductora HTS, un material que aún se encontraba en una fase de desarrollo en el momento del estudio del LHC, se han concebido, construido y calificado para funcionar. esta tarea (ver imagen "Bloqueando la brecha"). Los cables REBCO redondos y compactos aseguran, en una longitud corta (pocos metros de largo), la transferencia eléctrica desde el MgB2 a 50 K, después de lo cual la parte resistiva de los conductores de corriente finalmente lleva la corriente a temperatura ambiente. Dada la complejidad de tratar con el conductor REBCO, se realizó el I+D correspondiente en el CERN, donde también se construyó una compleja máquina dedicada al cableado.

Si bien la cinta REBCO se obtiene de la industria, los desafíos encontrados durante el desarrollo de los cables fueron muchos. Los problemas específicos asociados con la cinta conductora, por ejemplo, la resistencia eléctrica interna de la cinta y la dependencia de las propiedades eléctricas de la temperatura y los ciclos aplicados durante la soldadura, se identificaron y resolvieron con los fabricantes de la cinta. Se implementó un enfoque conservador que imponía una degradación de corriente crítica cero de la cinta después del cableado. Las lecciones aprendidas de este desarrollo también son fundamentales para proyectos futuros que empleen conductores REBCO, incluido el desarrollo de bobinas REBCO de alto campo para futuros imanes aceleradores.

Los componentes en serie de los sistemas de alimentación en frío HL-LHC (enlaces superconductores con las terminaciones correspondientes) ya están en producción, con el objetivo de tener todos los sistemas disponibles y calificados en 2025 para su instalación en las áreas subterráneas del LHC durante los próximos años. La producción en serie y la industrialización fueron precedidas por la finalización de la I+D y las validaciones tecnológicas en el CERN. Los hitos importantes han sido la prueba de un enlace superconductor de 18 kA de subescala conectado a un par de cables de corriente REBCO novedosos en 2019, y la prueba de líneas superconductoras de sección transversal completa de 60 m de largo del tipo necesario para los tripletes del LHC. y para los tramos coincidentes, ambos en 2020.

Las terminaciones complejas de los enlaces superconductores involucran dos tipos de criostatos que contienen, en el lado de 20 K, los conductores de corriente HTS y los empalmes entre los cables REBCO y MgB2 y, en el lado de 4,2 K, los empalmes entre el niobio titanio y el MgB2 cabos Un desarrollo específico en el diseño fue aumentar la compacidad y permitir la conexión del criostato con los cables de corriente al enlace superconductor en la superficie, antes de la instalación en las áreas subterráneas del HL-LHC (ver figura "Fin de la línea"). La producción en serie de las dos terminaciones de criostato se realiza mediante acuerdos de colaboración con la Universidad de Southampton y la Universidad de Uppsala.

El desplazamiento de los conductores de corriente mediante la adopción de enlaces superconductores aporta una serie de ventajas. Estos incluyen liberar espacio valioso en el anillo principal del colisionador, que queda disponible para otros equipos aceleradores, y la capacidad de ubicar equipos de alimentación y componentes electrónicos asociados en áreas libres de radiación. Este último relaja los requisitos de dureza de radiación para el hardware y facilita el acceso del personal para realizar las diversas intervenciones requeridas durante las operaciones del acelerador.

El enfriamiento con gas helio de baja densidad también hace factible la transferencia eléctrica a través de largas distancias verticales. Por lo tanto, la capacidad de transferir altas corrientes desde los túneles subterráneos a los edificios de superficie, como se estudió inicialmente para el HL-LHC, es de interés para futuras máquinas, como el Future Circular Collider propuesto en el CERN. Los enlaces superconductores flexibles también se pueden aplicar a arreglos "push-pull" de detectores en colisionadores lineales como el CLIC y el ILC propuestos, donde la adopción de líneas de alimentación flexibles puede simplificar y reducir el tiempo para el intercambio de experimentos que comparten la misma región de interacción. .

Más allá de la investigación fundamental en física, la superconductividad es una tecnología que permite la transferencia de GW de energía a largas distancias. Los principales beneficios, además de una transmisión de energía incomparablemente mayor, son el tamaño pequeño, las pérdidas eléctricas totales bajas, el impacto ambiental minimizado y una transmisión más sostenible. HTS ofrece la posibilidad de reemplazar las líneas aéreas resistivas de alto voltaje, operadas a lo largo de miles de kilómetros a voltajes que alcanzan los 1000 kV, con líneas de menor voltaje, tendidas bajo tierra con huellas reducidas.

La transmisión de energía a larga distancia utilizando enlaces superconductores de MgB2 enfriados por hidrógeno, potencialmente asociados con fuentes de energía renovables, se identifica como una de las vías principales hacia un futuro sistema de energía sostenible. Dado que el hidrógeno es líquido a 20 K (temperatura a la que el MgB2 es superconductor), se pueden almacenar grandes cantidades y utilizar como refrigerante para líneas superconductoras, actuando al mismo tiempo como vector de energía y criogénico. En esta dirección, el CERN participó, en una etapa muy temprana del desarrollo de enlaces superconductores HL-LHC, en un proyecto lanzado por Carlo Rubbia como director científico del Instituto de Estudios Avanzados de Sostenibilidad (IASS) en Potsdam. Hace unos 10 años, la investigación conjunta del CERN y el IASS culminó con la demostración récord de la primera línea de transmisión de MgB2 de 20 kA operada a la temperatura del hidrógeno líquido. Esta actividad continuó con una iniciativa europea llamada BestPaths, que demostró un sistema de cable monopolar de MgB2 operado en gas helio a 20 K. Este fue calificado en la industria para operar a 320 kV y a 10 kA en el CERN, demostrando una capacidad de transmisión de energía de 3,2 GW. Esta iniciativa involucró a la industria europea y al operador del sistema de transmisión de Francia. En Italia, el INFN ha lanzado recientemente un proyecto llamado IRIS basado en una tecnología similar (ver CERN Courier enero/febrero 2023 p9).

Además de transferir energía a largas distancias con pérdidas bajas y un impacto ambiental mínimo, el desarrollo de sistemas de producción y almacenamiento de energía de alto rendimiento, bajo costo, sostenibles y respetuosos con el medio ambiente es un desafío clave para la sociedad. El uso de hidrógeno puede diversificar las fuentes de energía, ya que reduce significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero y la contaminación ambiental durante la conversión de energía. En aviación se estudian sistemas de propulsión alternativa para reducir las emisiones de CO2 y avanzar hacia vuelos de cero emisiones. Ampliar la propulsión eléctrica a aviones más grandes es un gran desafío. Las tecnologías superconductoras son una solución prometedora, ya que pueden aumentar la densidad de potencia en la cadena de propulsión al mismo tiempo que reducen significativamente la masa del sistema de distribución eléctrica. En este contexto, recientemente se ha puesto en marcha un acuerdo de colaboración entre el CERN y Airbus UpNext. Recientemente se ha puesto en marcha en el CERN la construcción de un demostrador de distribución de superconductores en aviones denominado SCALE (Super-Conductor for Aviation with Low Emissions), que utiliza la tecnología de enlace superconductor HL-LHC.

La experiencia desarrollada por el CERN en tecnología de enlaces superconductores también es de interés para los grandes centros de datos, y se está discutiendo un acuerdo de colaboración entre el CERN y Meta. La posibilidad de ubicar equipos de energía de forma remota desde los servidores, de transferir eficientemente una gran cantidad de energía en un volumen compacto y de cumplir con los objetivos de sostenibilidad mediante la reducción de las huellas de carbono están motivando una reevaluación global de los sistemas convencionales a la luz del potencial de la transmisión superconductora.

Tales aplicaciones demuestran el círculo virtuoso entre la investigación fundamental y aplicada. Los requisitos de la exploración fundamental en la investigación de la física de partículas han llevado al desarrollo de aceleradores cada vez más potentes y sofisticados. En este esfuerzo, los científicos e ingenieros se involucran en desarrollos concebidos inicialmente para abordar desafíos específicos. Esto a menudo requiere un enfoque multidisciplinario y la colaboración con la industria para transformar prototipos en tecnología madura lista para aplicaciones a gran escala. La tecnología aceleradora es un impulsor clave de la innovación que también puede tener un impacto más amplio en la sociedad. El sistema de enlace superconductor para el proyecto HL-LHC es un brillante ejemplo.