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 de 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 sólo 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 aproximadamente 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 superconductividad a temperaturas superiores a 77 K, el punto de ebullición del nitrógeno líquido (consulte la figura "El calor está aumentando"). La posibilidad de operar sistemas superconductores con nitrógeno líquido inerte, abundante y económico generó un enorme entusiasmo en la comunidad superconductora.

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

En física de partículas, los imanes superconductores permiten que los rayos 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. La realización de su mejora de alta luminosidad y de sus posibles futuros colisionadores está impulsando el uso de materiales superconductores de próxima generación, con aplicaciones que van mucho más allá de la investigación fundamental.

La superconductividad de alta temperatura (HTS) se descubrió durante el estudio conceptual del LHC. Aunque los nuevos materiales todavía estaban en fase de desarrollo, se reconoció inmediatamente el potencial del HTS para su uso en la transmisión eléctrica. La alimentación de los imanes del LHC (que se basan en el superconductor convencional de niobio y titanio, enfriado con 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 mediante dispositivos llamados conductores de corriente, de los cuales más de 3.000 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, 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. El éxito de la I+D multidisciplinar, seguido de la creación de prototipos en el CERN y luego la industrialización, con la producción en serie de aproximadamente 1.100 LHC HTS actuales a partir de 2004, dio como resultado ahorros operativos y de capital (evitando una crioplanta adicional y una economía de aproximadamente 5.000 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 benefician de un acuerdo de colaboración con el CERN para 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 HTS. Este material, clasificado como superconductor de media temperatura, presenta 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 multifilamentario redondo en longitudes largas (km). Estas características, junto con un costo intrínsecamente más bajo que otros materiales HTS disponibles, lo convierten en un candidato prometedor para aplicaciones eléctricas.

En el LHC, los conductores de corriente se encuentran en ocho tramos rectos. Para la actualización de alta luminosidad del LHC (HL-LHC), que estará 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 recorrido vertical a través de un pozo de 8 m que conecta las galerías técnicas y el túnel del LHC. La gran corriente que se transferirá 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 del HL-LHC (una serie de imanes cuadrupolos que proporciona el enfoque final de los haces de protones antes de la colisión en ATLAS y CMS) o las secciones de adaptación del HL-LHC (que unen 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 exterior de hasta 220 mm. Los ocho enlaces superconductores HL-LHC tienen aproximadamente 100 m de largo y transfieren corrientes de aproximadamente 120 kA para los tripletes y 50 kA para las secciones coincidentes a temperaturas de hasta 25 K, con enfriamiento criogénico realizado 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 alambre redondo con propiedades mecánicas que permitieran el cableado después de la reacción. Los superconductores frágiles, como el Nb3Sn, utilizado en los cuadrupolos del HL-LHC y también en estudio para futuros imanes de alto campo, deben hacerse reaccionar a la fase superconductora mediante tratamientos térmicos, a altas temperaturas, realizados después de su ensamblaje en la configuración final. En otras palabras, esos conductores no son superconductores hasta que se haya realizado el cableado y el bobinado. Cuando se inició el programa de I+D, existía un conductor industrial de MgB2 en forma de cinta multifilamentaria, que ASG Superconductors utilizó con éxito en sistemas industriales abiertos de resonancia magnética para transportar corrientes de unos pocos cientos de amperios. El requisito del HL-LHC de transferir corriente a múltiples circuitos para un total de hasta 120 kA en una configuración compacta, con múltiples pasos de torsión y transposición necesarios para proporcionar una distribución uniforme de la corriente tanto en los alambres como en los cables, requirió el desarrollo de un alambre redondo multifilamentario optimizado.

Este desarrollo, llevado a cabo en conjunto con ASG Superconductors, 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 de 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 (aproximadamente 55 µm) y del paso de torsión (aproximadamente 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 y 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. Tras la implementación sucesiva y la validación experimental en profundidad de todas las mejoras, se produjo un cable de MgB2 robusto de 1 mm de diámetro con las características electromecánicas requeridas.

El siguiente paso fue fabricar unidades largas de alambre de MgB2 mediante palanquillas más grandes (las varillas compuestas ensambladas que luego se extruyen y se estiran en un alambre largo). La longitud objetivo de la unidad de varios kilómetros se alcanzó en 2018, cuando se lanzó el suministro en serie del cable. Paralelamente, en el CERN se desarrollaron y validaron diferentes diseños de cables. Esto incluía cables redondos MgB2 en una configuración coaxial con clasificación para 3 kA y 18 kA a 25 K (consulte la figura "Cableado complejo"). Si bien los prototipos fabricados en el CERN tenían entre 20 y 30 m de longitud, la disposición de los cables incorporaba, desde el principio, características que permitían la producción mediante máquinas cableadoras industriales del tipo utilizado 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 importancia clave para la fiabilidad del sistema final.

En 2014 tuvo lugar la primera calificación en 24 K de un cable MgB2 de 20 kA producido en el CERN, compuesto por dos tramos de 20 m conectados entre sí. A esto siguió 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 medir cables largos operados a temperaturas más altas, en un flujo forzado de gas helio. A continuación, los cables se produjeron industrialmente en Cavi mediante un contrato con ICAS, en una estrecha y fructífera colaboración que permitió, mientras se operaban equipos industriales pesados, satisfacer las necesidades identificadas durante la fase de I+D. La complejidad de los cables finales requirió un proceso de varios pasos que utilizó diferentes cableados, trenzados y líneas de aislamiento eléctrico, y la implementación de un correspondiente programa de garantía de calidad. Los primeros cables industriales, de 60 m de longitud, se calificaron con éxito en el CERN en 2018. Los prototipos finales de cables del tipo necesario para el HL-LHC (tanto para los tripletes como para las secciones correspondientes) se validaron en el CERN en 2020, cuando comenzó la producción en serie. de los cables finales fue lanzado. A día de hoy, se ha producido la serie completa de unos 1.450 kilómetros de alambre de MgB2 (la primera producción a gran escala de este material) y cinco de los ocho últimos cables 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 alambres y cables superconductores son el núcleo de un sistema superconductor, pero el sistema en sí requiere una optimización global, que se logra mediante un diseño integrado. Siguiendo este enfoque, el desafío consistió en investigar y desarrollar, en la industria, criostatos largos y flexibles para los enlaces superconductores con un rendimiento criogénico mejorado. El objetivo era lograr una carga térmica estática baja (< 1,5 W/m) en el volumen criogénico de los cables superconductores adoptando al mismo tiempo un diseño (un criostato de dos paredes sin pantalla térmica intermedia) que simplifique la refrigeración del sistema y mejore la flexibilidad mecánica de los eslabones y facilita la manipulación durante el transporte y la instalación. Este desarrollo, que se desarrolló en paralelo con las actividades de alambres y cables, condujo a los resultados deseados y, después de una extensa campaña de pruebas 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 coste criogénico de la refrigeración, de modo que un enlace superconductor transfiere, desde el túnel a las galerías técnicas, suficiente gas helio para enfriar la sección resistiva de los conductores de corriente y la lleva a la temperatura (unos 20 K) para que se optimizan los leads. En otras palabras, el enlace superconductor no añade coste criogénico a la refrigeración del sistema. Los enlaces, que están clasificados para corrientes de hasta 120 kA, son lo suficientemente flexibles para ser transportados, como los cables de alimentación convencionales, en tambores de aproximadamente 4 m de diámetro y se pueden tirar manualmente, sin herramientas importantes, durante la instalación (consulte "Corrientes kA"). " imagen). También se abordó el desafío de abordar la contracción térmica de los enlaces superconductores, que se contraen aproximadamente 0,5 m cuando se enfrían a una temperatura criogénica. Mediante pruebas de prototipo se validó una solución innovadora, que aprovecha las curvaturas y es compatible con la posición fija del actual criostato de plomo.

Mientras que los cables de MgB2 transfieren altas corrientes continuas desde el entorno de helio líquido de 4,5 K en el túnel del LHC hasta aproximadamente 20 K en las nuevas galerías subterráneas del HL-LHC, se requiere un material superconductor diferente para transferir la corriente de 20 a 50 K, donde la resistencia parte de los cables actuales hacen el puente a temperatura ambiente. Para hacer frente a los requisitos del sistema, se han concebido, construido y calificado para realizar nuevos cables de corriente HTS basados ​​en la cinta superconductora HTS REBCO (óxido de cobre y bario de tierras raras), un material aún en fase de desarrollo en el momento del estudio del LHC. esta tarea (ver imagen “Reducir la brecha”). Los cables REBCO compactos y redondos garantizan, en una longitud corta (de unos pocos metros de longitud), la transferencia eléctrica del MgB2 a 50 K, después de lo cual la parte resistiva de los cables de corriente finalmente lleva la corriente a temperatura ambiente. En vista de la complejidad de tratar con el conductor REBCO, la investigación y el desarrollo correspondientes se llevaron a cabo en el CERN, donde también se construyó una compleja máquina de cableado dedicada.

Si bien la cinta REBCO se obtiene de la industria, los desafíos encontrados durante el desarrollo de los cables fueron muchos. Se identificaron y resolvieron con los fabricantes de cintas cuestiones específicas asociadas 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 implementó un enfoque conservador que imponía cero degradación de la corriente crítica de la cinta después del cableado. Las lecciones aprendidas de este desarrollo también son fundamentales para futuros proyectos 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 del HL-LHC (enlaces superconductores con sus correspondientes terminaciones) 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. Hitos importantes han sido la prueba de un enlace superconductor de 18 kA de subescala conectado a un par de nuevos cables de corriente REBCO en 2019, y la prueba de líneas superconductoras de sección transversal completa y 60 m de longitud del tipo necesario para los tripletes del LHC. y para las secciones coincidentes, ambas en 2020.

Las complejas terminaciones de los enlaces superconductores involucran dos tipos de criostato 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. cables. 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 su 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 lleva a cabo mediante acuerdos de colaboración con la Universidad de Southampton y la Universidad de Uppsala.

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

El enfriamiento con gas helio de baja densidad también hace posible la transferencia eléctrica a través de largas distancias verticales. Por lo tanto, la capacidad de transferir altas corrientes desde túneles subterráneos a edificios de superficie (como se estudió inicialmente para el HL-LHC) es de interés para máquinas futuras, como el futuro colisionador circular propuesto en el CERN. Los enlaces superconductores flexibles también se pueden aplicar a disposiciones "push-pull" de detectores en colisionadores lineales como los propuestos CLIC e ILC, donde la adopción de líneas eléctricas 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 través de largas distancias. Los principales beneficios, además de una transmisión de energía incomparablemente mayor, son el tamaño pequeño, las bajas pérdidas eléctricas totales, el impacto ambiental minimizado y una transmisión más sostenible. HTS ofrece la posibilidad de sustituir líneas aéreas resistivas de alta tensión, operadas a lo largo de miles de kilómetros con voltajes que alcanzan alrededor de 1000 kV, por líneas de menor tensión, tendidas bajo tierra con una huella reducida.

La transmisión de energía a larga distancia utilizando enlaces superconductores de MgB2 refrigerados por hidrógeno, potencialmente asociados con fuentes de energía renovables, se identifica como una de las principales vías hacia un futuro sistema energético sostenible. Dado que el hidrógeno es líquido a 20 K (la temperatura a la que el MgB2 es superconductor), se pueden almacenar y utilizar grandes cantidades como refrigerante para líneas superconductoras, actuando al mismo tiempo como vector energético y criógeno. En este sentido, el CERN participó –en una fase muy temprana del desarrollo de los enlaces superconductores HL-LHC– en un proyecto lanzado por Carlo Rubbia como director científico del Instituto de Estudios Avanzados de Sostenibilidad (IASS) de 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 temperatura de hidrógeno líquido. Esta actividad continuó con una iniciativa europea llamada BestPaths, que demostró un sistema de cable monopolo de MgB2 operado en gas helio a 20 K. Este fue calificado en la industria para operación a 320 kV y a 10 kA en el CERN, demostrando una capacidad de transmisión de energía de 3,2 GW. En esta iniciativa participaron la industria europea y el operador de la red de transmisión francesa. En Italia, el INFN lanzó recientemente un proyecto llamado IRIS basado en una tecnología similar (ver CERN Courier enero/febrero de 2023 p9).

Además de transferir energía a largas distancias con bajas pérdidas 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 la aviación, se estudian sistemas de propulsión alternativa para reducir las emisiones de CO2 y avanzar hacia vuelos sin emisiones. Ampliar la propulsión eléctrica a aviones más grandes es un desafío importante. Las tecnologías superconductoras son una solución prometedora, ya que pueden aumentar la densidad de potencia en la cadena de propulsión y al mismo tiempo reducir significativamente la masa del sistema de distribución eléctrica. En este contexto, recientemente se ha lanzado un acuerdo de colaboración entre el CERN y Airbus UpNext. Recientemente se inició en el CERN la construcción de un demostrador de distribución superconductora en aviones llamado SCALE (Superconductor para aviación con bajas emisiones), que utiliza la tecnología de enlace superconductor HL-LHC.

La experiencia adquirida por el CERN en tecnología de enlaces superconductores también es de interés para los grandes centros de datos, y se está debatiendo un acuerdo de colaboración entre el CERN y Meta. La posibilidad de ubicar equipos de energía de forma remota desde los servidores, de transferir de manera eficiente grandes cantidades de energía en un volumen compacto y de cumplir objetivos de sostenibilidad reduciendo la huella de carbono están motivando una reevaluación global de los sistemas convencionales a la luz del potencial de la transmisión superconductora.

Estas aplicaciones demuestran el círculo virtuoso entre la investigación fundamental y la 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, científicos e ingenieros participan en desarrollos concebidos inicialmente para abordar desafíos específicos. Esto a menudo requiere un enfoque multidisciplinario y la colaboración con la industria para transformar los prototipos en tecnología madura lista para su aplicación a gran escala. La tecnología de aceleradores es un motor clave de la innovación que también puede tener un impacto más amplio en la sociedad. El sistema de enlace superconductor del proyecto HL-LHC es un brillante ejemplo.