Study of thermal stability processes in MgB2 and REBCO wires and tapes

Abstract

El uso de los materiales superconductores en aplicaciones de potencia requiere el estudio de los procesos de transición al estado resistivo de todo el conductor (quench) que puede producirse por inestabilidades térmicas locales durante su operación normal. Este problema, que se estudió muy bien en superconductores de baja temperatura (SBT) a la hora de diseñar bobinas superconductoras, está cobrando cada vez más importancia en los materiales basados en el MgB2 y en los superconductores de alta temperatura conforme mejoran sus propiedades y se aplican en un mayor número de dispositivos. El conocimiento de estos procesos asociados con las inestabilidades es importante para garantizar la estabilidad en servicio frente a determinadas incidencias pero lo es especialmente en el caso de los limitadores de corriente resistivos, en los que precisamente se utiliza el cambio brusco de la resistencia eléctrica del material superconductor al superar el valor de la corriente crítica. Otra aplicación, en la que también es importante este conocimiento, es para el desarrollo de conductores basados en materiales superconductores y bobinados, en donde las inestabilidades térmicas pueden dañarlos de forma irreversible. Por todas estas razones, los estudios relacionados con los problemas de estabilización térmica y protección frente al quench son de gran importancia para establecer criterios de estabilidad tanto en el diseño del material como del dispositivo. Ante el nivel de prestaciones que se están alcanzando en los conductores de segunda generación basados en cintas de RE-Ba2Cu3O7 (REBCO), los estudios de estabilidad en este material, tanto teóricos como experimentales, están adquiriendo una gran importancia. En la mayor parte de los casos, los experimentos consisten en distribuir una serie de contactos de voltaje y de termopares a lo largo de la muestra y, a través de un calentador, inducir la transición al estado normal de esta zona y medir cómo se propaga al resto de la muestra. Los principales parámetros que se obtienen son la energía mínima requerida para iniciar el quench (MQE, minimun quench energy) y su velocidad de propagación (vp). En otros casos se aplica un pulso de corriente tras el cual la corriente se mantiene en un cierto valor por encima de la corriente crítica y se mide la evolución temporal del voltaje en diferentes regiones del material. La colaboración entre el grupo de Superconductividad Aplicada del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón y el de Tecnología Óptica Láser del Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón en diferentes proyectos ha permitido aplicar la técnica de interferometría de moteado digital (DSPI) para la detección de los puntos en donde se inicia un quench. La ventaja de esta técnica es que permite detectar en qué punto se inicia la inestabilidad, comprobándose que no siempre coincide con la región que presenta los valores más bajos de corriente crítica y posteriormente analizar microestructuralmente cuál es el defecto responsable. La técnica se ha adaptado para poder aplicarse también a estos conductores de segunda generación. El éxito de la utilización de conductores de MgB2 en aplicaciones de altas intensidades de corriente, tales como imanes y dispositivos de potencia eléctrica, depende del desarrollo de conductores con suficiente estabilidad térmica y con un adecuado diseño criogénico de la estructura del bobinado para la protección del conductor frente a un quench. Resultados experimentales y numéricos recientes en conductores compuestos de MgB2 sugieren desviaciones de los parámetros básicos del quench, como vp, y MQE, de las predicciones de la teoría clásica desarrollada para los SBT. Comprender el inicio del quench y su propagación es un elemento clave en el ciclo de desarrollo-diseño de este material.