Comportamiento electromagnético y térmico de superconductores rebco en aplicaciones de potencia. Optimización de bobinas y uniones

Resumen

El desarrollo de los materiales superconductores y la tecnología asociada a ellos ha permitido en las últimas décadas la construcción de prototipos en multitud de aplicaciones que abarcan casi todos los campos de la tecnología eléctrica, desde la generación hasta la distribución. Se han diseñado y construido un número considerable de dispositivos superconductores, como limitadores de corriente, SMES, cables, motores y generadores, llegando a instalar algunos de ellos en la red. Muchas de estas aplicaciones requieren bobinas robustas y fiables. El trabajo propuesto durante esta tesis pretende abordar el estudio de varios problemas que presentan actualmente los bobinados fabricados con superconductores de alta temperatura de segunda generación (2G-HTS), prestando especial atención a los aspectos tecnológicos de diseño y optimización electromagnética y térmica de bobinas. Al ser materiales cerámicos, se tienen que tener en cuenta las tensiones y deformaciones que se producen durante su manipulación y bobinado. Por esta razón, existe un diámetro mínimo y unas tensiones máximas que no hay que superar ya que se pueden formar grietas en el superconductor produciendo así una degradación irreversible en su corriente crítica (Ic). Por otro lado, la diferencia de coeficientes de expansión térmica entre la resina epoxi que impregna el bobinado y la cinta superconductora, genera una acumulación de tensiones en la bobina que puede conllevar la aparición de problemas de delaminación en la estructura de la cinta superconductora produciendo una disminución de la Ic de la misma. Además, se debe asegurar una buena estabilidad térmica para conseguir la fiabilidad del dispositivo. De ahí, que el estudio y análisis de los procesos de transición al estado resistivo de todo el conductor (quench), juegue un papel esencial a la hora de diseñar los dispositivos superconductores ya que podría dañarlos de forma irreversible. Si se produce un quench, el sistema debe ser capaz de detectarlo lo más rápido posible y conseguir una rápida recuperación para así proteger al conductor. Por otro lado, en el diseño y fabricación de dispositivos superconductores es necesario termalizar adecuadamente no sólo el superconductor, sino todos los componentes criogénicos del sistema, de forma que se consiga mantener la estabilidad térmica del conjunto. Para conseguir este objetivo, los sistemas criogénicos se diseñan habitualmente con una o varias etapas térmicas intermedias entre temperatura ambiente y la de operación, y los distintos componentes se conectan térmicamente a los diversos focos fríos. De esta forma se logra, además, aumentar la eficiencia térmica del sistema. Este hecho es todavía más relevante en sistemas superconductores refrigerados por conducción, en los que al prescindir del uso de líquidos criogénicos para dar más versatilidad a la hora de seleccionar la temperatura de trabajo, pueden presentar problemas adicionales para conseguir una buena estabilidad térmica frente a perturbaciones. La necesidad de optimizar la transferencia de calor en contactos mecánicos en sistemas criogénicos requiere un diseño adecuado de las uniones térmicas entre los dispositivos superconductores y sus soportes, así como entre estos soportes y las cabezas frías de los crio-refrigeradores. Obviamente los requerimientos y particularidades en el diseño dependen del dispositivo (tamaño, temperatura de operación, carga térmica…), así como del método de enfriamiento empleado: conducción, inmersión en un líquido criogénico (cooling bath), convección natural o forzada de un gas frío, sistema de tuberías por los que circula un líquido o gas criogénico (cooling pipes), etc. Otro problema a tener en cuenta en el diseño de uniones térmicas es que la mayor parte de los datos sobre resistencias térmicas publicados en la literatura corresponden a altas temperaturas (alrededor o por encima de temperatura ambiente) o cercanas o por debajo de la temperatura del helio líquido (4.2 K). Sin embargo, en el rango de 20 K a 100 K hay pocos datos, aunque ahora estos han cobrado un renovado interés con el aumento de aplicaciones que utilizan sistemas de enfriamiento de ciclo cerrado (crio-refrigerador), los cuales pueden operar a cualquier temperatura dentro de este rango. Este contexto es en el que se enmarca este trabajo. A lo largo de esta tesis se han abordado dos objetivos fundamentales. En primer lugar, se ha abordado el estudio de diferentes configuraciones de bobinados superconductores con el fin de avanzar en el proceso de comprensión de los procesos de generación y propagación de quench y de los posibles procesos de degradación durante ciclados térmicos. El segundo objetivo se ha centrado en el estudio de contactos térmicos en uniones metal-metal en sistemas de enfriamiento tipo “cooling pipe” y en uniones metal-aislante eléctrico-metal. La tesis se ha estructurado en seis capítulos: En el primer capítulo se ha realizado una revisión del estado del arte de los principales retos pendientes para poder lograr que los materiales superconductores de alta temperatura se puedan implantar en aplicaciones eléctricas de potencia. El capítulo 2 describe el proceso de fabricación de bobinas superconductoras 2G-HTS tipo pancake con un número de vueltas entre 10 y 30, utilizando diferentes configuraciones. Se ha trabajado con diferentes aislantes eléctricos y materiales metálicos entre vueltas en la fabricación de los bobinados. También se han usado dos métodos de impregnación con resinas epoxi, aplicando esta durante el proceso de fabricación de la bobina o posteriormente con técnicas de vacío. En todos los casos se ha controlado la tensión aplicada durante el proceso de bobinado, incluyendo la instrumentación necesaria para su posterior caracterización térmica y electromagnética. En el capítulo 3 se ha analizado, numérica y experimentalmente, la distribución de los valores de corriente crítica en diferentes regiones de la bobina correlacionando estos resultados con los de la cinta superconductora usada en su fabricación. Debido a la dependencia de la corriente crítica con el autocampo magnético generado por la propia bobina, los valores de corriente crítica local en el interior del bobinado varían en función de la posición de la espira. Es importante conocer esta distribución de corrientes críticas en el interior de la bobina con el fin de saber su corriente máxima de operación, así como poder asegurar que durante el proceso de fabricación de la bobina no se ha producido ningún daño en el material superconductor. En el capítulo 4 se ha realizado un estudio de los efectos de los ciclados térmicos en las propiedades superconductoras de las bobinas 2G-HTS fabricadas, para poder analizar los procesos de degradación que pudieran generarse. En el capítulo 5 se ha estudiado el comportamiento de las diferentes bobinas cuando se aplica una perturbación local de calor. De esta forma se han determinado los parámetros característicos en el desarrollo y propagación del quench: la energía mínima necesaria para generar el quench (MQE, Minimum Quench Energy), el volumen mínimo de propagación del quench (MPZ, Minumum Propagation Zone) y la velocidad de propagación del mismo (vp), tanto en la dirección tangencial (a lo largo del conductor), como en la dirección radial (entre vueltas). Se ha prestado especial atención al efecto del co-bobinado de la cinta superconductora con diversas cintas metálicas para lograr una mejora del comportamiento de la bobina frente al quench. El segundo objetivo de esta tesis se ha abordado, principalmente, en el capítulo 6. En él se ha estudiado en primer lugar, cómo optimizar la unión térmica entre una tubería de acero inoxidable por la que puede circular un líquido o gas criogénico y un bloque de aluminio, con el objetivo de optimizar la termalización de las pantallas anti-radiación (también de aluminio) para los futuros criostatos de los aceleradores de la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN). En segundo lugar, se han analizado las propiedades térmicas de uniones metal-aislante eléctrico-metal en muestras en los que el aislamiento eléctrico se consigue recubriendo placas de cobre con una capa de alúmina. Este tipo de uniones puede usarse también para termalizar la bobina o las barras de inyección de corriente a los distintos focos fríos en sistemas criogénicos enfriados por conducción.