Reprezentatívne výsledky

2019

Ultraľahké supravodivé MgB2 vodiče

V Oddelení supravodičov sme vyvinuli ultraľahký supravodivý drôt použiteľný pre vinutia generujúce silné magnetické polia pri teplote blízkej 20 K (-253 °C), dosiahnuteľnej pomocou kryo-chladiča (bez kvapalného hélia). Základnou myšlienkou bolo skombinovať do kompozitného drôtu doteraz najľahšiu supravodivú zlúčeninu MgB2 s mernou hmotnosťou 2,55 gcm-3 a veľmi ľahké kovové prvky: difúznu bariéru z titánu (4,5 gcm-3) a vonkajší hliníkový obal (2,7 gcm-3). Takýto supravodivý drôt je atraktívny pre budúce využitie vo výkonných veterných generátoroch, leteckých motoroch ako aj aktívneho tienenia počas dlhodobých misii v kozme.
Cieľom bolo aby takýto ultraľahký MgB2 drôt s prierezom okolo 1 mm2 mal aj dobré supravodivé vlastnosti, zvlášť vysoké prúdové hustoty v oblasti vonkajších magnetických polí 0 – 5 T, dobrú odolnosť voči mechanickému namáhaniu a tiež nízke striedavé straty v oblasti frekvencii 1 – 100 Hz. Bola preto zvolená metóda prípravy pomocou infiltrácie a difúzie Mg do vrstvy zhusteného bórového prášku a následná rýchla tvorba intermetalickej MgB2 fázy pri teplotách okolo 650°C.
Výskum nadväzoval na naše dlhoročné skúsenosti s prípravou vláknitých supravodivých drôtov. Experimentálne sme overili, že najpožívanejší kovový materiál difúznej bariéry Nb (8,5 gcm-3) sa dá nahradiť ľahším a dobre za studena tvarovateľným vanádom (6,0 gcm-3) a zvlášť titánom (4,5 gcm-3), pričom oba tieto kovy nereagujú s Mg a B pri ich konečnom tepelnom spracovaní. Avšak vlastnosti čistého hliníka (jeho mäkkosť) neumožňujú vyrobiť kompozitný drôt ktorý sa tvárni valcovaním alebo ťahaním. Preto sme detailne testovali pôvodne konštrukčný materiál (Al+Al2O3) nazývaný HITEMAL® vyvinutý Ústavom materiálov a mechaniky strojov SAV práškovou technológiou. Výlisky z Al+Al2O3 boli tvárnené do tenkých drôtov a detailne testované mechanicky a elektricky pri izbových a nízkych teplotách. Tento materiál ukázal dobré mechanické a elektrické vlastnosti a bol použitý pre výrobu najľahšieho supravodivého drôtu s jadrom na báze MgB2.

Technologický proces jeho výroby spočíval v tvárnení centrálneho Mg drôtu obsypaného práškom bóru v Ti trubke vloženej do vonkajšej rúrky z Al+Al2O3 (HITEMAL®). Takto zložený kompozit bol valcovaný za studena na konečný rozmer približne 1 mm a podrobený konečnému tepelnému spracovaniu, Obr. 1.

Obr. 1: Priečny rez supravodivého drôtu s MgB2 fázou, Ti bariérou a Al+Al2O3 obalom.

Veľmi povzbudivé výsledky nás viedli k odskúšaniu viacerých obalov s rôznym obsahom Al2O3 a tiež k príprave 6-žilového drôtu s pozoruhodnou odolnosťou voči ťahovému namáhaniu – Obr. 2.

Obr. 2: Priečny rez 6-žilovým drôtom 1,16 x 1,16 mm2 a jeho odolnosť voči ťahovému napätiu pri izbovej teplote (300 K) a teplote kvapalného hélia (4,2 K).

Významnou výhodou vonkajšieho obalu na báze hliníka je aj jednoduchá možnosť jeho izolovania oxidáciou povrchu drôtu a vytvorením tenkej vrstvy Al2O3 s dobrou tepelnou vodivosťou, odolnosťou voči vysokým teplotám ako aj s dobrými izolačnými vlastnosťami vo vinutí. Použite takejto unikátnej izolácie bolo úspešne overené na supravodivej cievke navinutej z MgB2/Ti/Al+Al2O3 drôtu, Obr. 3, na kostre z nerezovej ocele. Takéto ľahké vinutie sa vyznačuje dobrou izolačnou schopnosťou a zvlášť veľmi vysokým plniacim faktorom (nad 90 %), čo umožňuje ďalej minimalizovať objem a hmotnosť vinutí pre reálne aplikácie.

Obr.3: Oceľová kostra (a), cievka navinutá z Mg/B/Ti/Al+Al2O3 vodiča izolovaného tenkou vrstvou oxidu hlinitého (b) a vyžíhané vinutie s MgB2 fázou (c).

 

Santra, S., Grovenor, C.R.M., Speller, S.C., Kováč, P., Kopera, L., and Hušek, I.: Comparison of interfacial and critical current behaviour of Al+Al2O3 sheathed MgB2 wires with Ta and Ti diffusion barriers, J. Alloys Comp. 807 (2019) 151665

Kováč, P., Kopera, L., Kováč, J., Melišek, T., Haessler, W., Wang, D., and Ma, Y.: Current densities and strain tolerances of filamentary MgB2 wires made by an internal Mg diffusion process, Supercond. Sci Technol. 32 (2019) 095006

Kováč, P., Bonura, M., Santra, S., Kopera, L., Rosová, A., Senatore, C., and Hušek, I.: Thermal conductivities and thermal runaways of superconducting MgB2 wires stabilized by an Al+Al2O3 sheath, Supercond. Sci Technol. 32 (2019) 115007

Kopera, L., Kováč, P., Kováč, J., Melišek, T., Hušek, I., and Berek, D.: Small diameter wind and react coil made of anodised Al-sheathed MgB2 wire, Supercond. Sci Technol. 32 (2019) 105003

Kováč, P., Hušek, I., Rosová, A., Melišek, T., Kováč, J., Kopera, L., Scheiter, J., and Haessler, W.: Strong no-barrier SS sheathed MgB2 composite wire, Physica C 560 (2019) 40-44

 

2018

3-rozmerné modelovanie a meranie demagnetizácie objemových supravodičov a zväzku supravodivých pások s priečnymi magnetickými poliami

Objemové supravodiče a zväzok supravodivých pások môžu nahradiť permanentné magnety, vďaka vyššiemu zachytenému magnetickému poľu. Vyššie magnetické polia zlepšujú vlastnosti točivých strojov, magnetických ložísk a magnetov. V skutočných zariadeniach sú meniace sa vonkajšie magnetické polia kolmé na zachytené pole a súčasne majú nižšiu amplitúdu. Tieto priečne polia demagnetizujú supravodiče a znižujú v nich zachytené pole. Zníženie demagnetizácie vyžaduje úplne pochopenie tohto efektu. Pre tento účel sme vyvinuli modelovací program založený na variačnej metóde nazvanej Minimum Electro-Magnetic Entropy Production (MEMEP). Vypočítali sme priečnu demagnetizáciu supravodivej kocky a zväzku piatych supravodivých pások. Model súhlasí s predchádzajúcimi 2-rozmernými modelmi a s výsledkami meraní.

 

Kapolka, M., Srpcic, J., Zhou, D., Ainslie, M.D., Pardo, E., and Dennis, A.R.: Demagnetization of cubic Gd-Ba-Cu-O bulk superconductor by crossed-fields: measurements and three-dimensional modeling, IEEE Trans. Applied Supercond. 28 (2018) 6801405.

Kapolka, M., Zermeno, V.M.R., Zou, S., Morande, A., Ribani, P.L., Pardo, E., and Grilli, F.: Three-dimensional modeling of the magnetization of superconducting rectangular-based bulks and tape stacks, IEEE Trans. Applied Supercond. 28 (2018) 8201206.

 

2017

Supravodivé káble pre veľké magnetické systémy

V Oddelení supravodičov sme pripravili a otestovali niekoľko supravodivých káblov typu CORC (Conductor On Round Core). Jednou z výhod tohto typu kábla je, že medená rúrka tvoriaca mechanickú oporu supravodivých pások môže byť súčasne využitá pre tok chladiaceho média. Z takého typu kábla sme vyrobili cievku, kde sme zároveň otestovali kryogénnu tepelnú izoláciu tvorenú izolačnou hmotou aerogel a polyuretánovou penou namiesto štandardnej vákuovej izolácie.
Pre interpretáciu experimentálnych výsledkov sme použili numerické výpočty, ktoré po zohľadnení vplyvu magnetického poľa, ale aj fluktuácie kritického prúdu po dĺžke vodiča, dokážu pomerne presne predpovedať vlastnosti cievok vyrobených z káblov.
Podrobne sme skúmali aj vlastnosti takéhoto kábla pre aplikácie so striedavým prúdom. Experimenty podporené numerickými výpočtami ukázali, že v centrálnej medenej trubke vznikajú straty porovnateľné s magnetizačnými stratami supravodiča.

 

Gömöry, F., Šouc, J., Vojenčiak, M., Terzioglu, R., and Frolek, L.: Design and testing of coils wound using the Conductor-On-Round-Tube (CORT) cable, IEEE Trans. Applied Supercond. 27 (2017) 4600305.

Šouc, J., Gömöry, F., Vojenčiak, M., Seiler, E., Kováč, J., and Frolek, L.: Superconducting HTS coil made from round cable cooled by liquid nitrogen flow, Supercond. Sci Technol. 30 (2017) 105014.

Sheng, J., Vojenčiak, M., Terzioglu, R., Frolek, L., and Gömöry, F.: Numerical study on magnetization characteristics of superconducting conductor on round core cables, IEEE Trans. Applied Supercond. 27 (2017) 4800305.

Terzioglu, R., Vojenčiak, M., Sheng, J., Gömöry, F., Çavuş, T.F., and Belenli, I.: AC loss characteristics of CORC® cable with a Cu former, Supercond. Sci Technol. 30 (2017) 085012.

 

2016

Tvarovanie magnetického poľa pomocou kombinácie supravodivých a feromagnetických materiálov

 

2015

Husté supravodivé MgB2 vrstvy pripravná difúznym procesom (IMD)

 

2014

Modelovanie striedavých strát vo vinutiach z VTS

 

2013

Plochý MgB2 Rutherford kábel + Nízkostratový kábel zhotovený z transponovaných tvarovaných páskových supravodičov

 

2012

Magnetický plášť z kombinácie supravodič/feromagnetikum