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Materiali Nb3Sn

Contatto: Dott. Luigi Muzzi
e-mail: muzzi@frascati.enea.it
tel.: +39 06 9400 5391
fax.: +39 06 9400 5393

Nell’ambito delle attività di Ricerca e Sviluppo relative ad ITER, negli ultimi anni abbiamo partecipato ad un’intensa attività di qualificazione di "strand" di Nb3Sn con prestazioni avanzate (Advanced Strands) prodotti industrialmente. Tale attività è stata lanciata da EFDA allo scopo di stimolare in Europa le capacità produttive di fili di Nb3Sn che si dovranno utilizzare nella manifattura dei magneti Toroidali e del Solenoide Centrale di ITER.
Nell’ambito delle campagne sperimentali di qualificazione degli strand, abbiamo effettuato misure elettriche (corrente critica, resistenza), magnetiche (magnetizzazione) e di caratteristiche strutturali (diametro, rapporto Cu:non-Cu, etc.).
I risultati hanno mostrato che gli strand sviluppati soddisfano le ultime richieste di ITER, con una corrente di trasporto minima di 200A (a 12T, 4.2K), un rapporto Cu:nonCu in sezione di circa 1, con perdite per isteresi minori di 1000 kJ/m3 di superconduttore durate un ciclo standard di campo magnetico di ±3T a 4.2K.

Foto effettuate tramite un microscopio elettronico a scansione (SEM) su diversi fili multifilamentari di Nb3Sn “advanced”fili multifilamentari di Nb<sub>3</sub>Sn “advanced” al microscopio

Un’altra linea di attività, svolta in collaborazione con il CEA francese, ha riguardato lo studio delle proprietà meccaniche dei nuovi advanced strand di Nb3Sn, con particolare riguardo all’influenza di uno sforzo da piegamento (bending strain) sulle proprietà di trasporto degli strand. Il bending strain, causato dalla struttura geometrica degli strand all’interno del conduttore, gioca un ruolo fondamentale nel diminuire le performance del superconduttore nei regimi operativi. A livello dello strand, il bending causa processi di trasferimento di corrente tra i filamenti al suo interno, dalla regione del filo soggetta allo strain più alto a quella soggetta allo strain più basso, e l’effetto complessivo sulle proprietà di trasporto dipende dalle caratteristiche geometriche dello strand e dalla capacità di re-distribuzione di corrente al suo interno.In aggiunta, nei conduttori il bending strain agisce sugli strand in sovrapposizione ad uno strain longitudinale uniforme, causato dalla maggiore contrazione termica del jacket di acciaio.

Per verificare i fili nei regimi il più simile possibile alle condizioni operative dei magneti Toroidali di ITER, è stata sviluppata una tecnica i cui passi principali sono descritti qui di seguito:

  1. lo strand è inserito in un sottile tubo di acciaio e compattato;
  2. lo strand è avvolto su un porta-campione cilindrico di acciaio, su cui viene effettuato il trattamento termico di formazione del Nb3Sn;
  3. lo strand viene dunque trasferito, a temperatura ambiente, su un diverso porta-campione di acciaio, ma di diametro differente dal primo.
Come risultato di questa procedura, i filamenti di Nb3Sn sono sottoposti ad un bending strain uniformemente distribuito su lunghezze rilevanti di conduttore.

Le proprietà di trasporto sono state misurate sia sullo strand nudo, prima dell’inserimento nel tubo di acciaio e dell’applicazione del bending strain, sia sullo strand inserito nell’acciaio. Per quest’ultimo la caratterizzazione è avvenuta sia prima dell’applicazione del bending sia dopo il processo di trasferimento e quindi l’applicazione del bending.
Dal confronto dei risultati si è ottenuto che la degradazione percentuale nella corrente critica dovuta all’applicazione dello strain longitudinale (dovuto alla sola azione del jacket di acciaio) è tra il 55% circa a 14T, ed il 37% circa a 10T. Per quanto riguarda l’effetto addizionale del bending, risulta una degradazione di circa il 25% a 14T, che decresce al diminuire del campo magnetico applicato.

Il sistema meccanico è stato poi modellizzato con codici agli elementi finiti ed il confronto dei risultati sperimentali con i modelli teorici a disposizione ha permesso di ricavare importanti informazioni circa il processo di trasferimento di corrente all’interno degli strand.