Nuove tecnologie superconduttrici per l'HL

Lo sviluppo al CERN di cavi al diboruro di magnesio e di altri sistemi superconduttori avanzati per l'LHC ad alta luminosità sta anche guidando applicazioni che vanno oltre la ricerca fondamentale, descrive Amalia Ballarino.

L'era della superconduttività ad alta temperatura è iniziata nel 1986 con la scoperta, da parte dei ricercatori IBM Georg Bednorz e Alex Muller, della superconduttività in un ossido di rame lantanio bario. Questa scoperta fu rivoluzionaria: non solo il nuovo, fragile composto superconduttore apparteneva alla famiglia degli ossidi ceramici, che sono generalmente isolanti, ma aveva la temperatura critica più alta mai registrata (fino a 35 K, rispetto ai circa 18 K dei superconduttori convenzionali). ). Negli anni successivi, gli scienziati scoprirono altri superconduttori cuprati (ossido di bismuto-stronzio-rame e ossido di ittrio-bario-rame) e raggiunsero la superconduttività a temperature superiori a 77 K, il punto di ebollizione dell'azoto liquido (vedi figura "Il calore sta aumentando"). La possibilità di utilizzare sistemi superconduttori con azoto liquido poco costoso, abbondante e inerte ha generato un enorme entusiasmo nella comunità dei superconduttori.

Sono state studiate diverse applicazioni di materiali superconduttori ad alta temperatura con un impatto potenzialmente elevato sulla società. Tra questi, le linee di trasmissione superconduttrici sono state identificate come una soluzione innovativa ed efficace per la trasmissione di energia in massa. I vantaggi unici della trasmissione superconduttiva sono l'elevata capacità, il volume molto compatto e le basse perdite. Ciò consente il trasferimento sostenibile fino a decine di GW di potenza a bassa e media tensione in canali stretti, insieme al risparmio energetico. I dimostratori sono stati costruiti in tutto il mondo in collaborazione con l'industria e le società di servizi pubblici, alcune delle quali hanno operato con successo nelle reti elettriche nazionali. Tuttavia, l’adozione diffusa della tecnologia è stata ostacolata dal costo dei superconduttori cuprati.

Nella fisica delle particelle, i magneti superconduttori consentono ai fasci ad alta energia di circolare nei collisori e forniscono campi più forti affinché i rilevatori siano in grado di gestire energie di collisione più elevate. L’LHC è la più grande macchina superconduttrice mai costruita e la prima a impiegare anche superconduttori ad alta temperatura su larga scala. La realizzazione del suo aggiornamento ad alta luminosità e dei possibili futuri collisori sta guidando l’uso di materiali superconduttori di prossima generazione, con applicazioni che vanno ben oltre la ricerca fondamentale.

La superconduttività ad alta temperatura (HTS) è stata scoperta mentre era in corso lo studio concettuale per l'LHC. Mentre i nuovi materiali erano ancora in fase di sviluppo, il potenziale dell’HTS per l’utilizzo nella trasmissione elettrica è stato immediatamente riconosciuto. L'alimentazione dei magneti dell'LHC (che si basano sul convenzionale superconduttore niobio titanio, raffreddato da elio superfluido) richiede il trasferimento di circa 3,4 MA di corrente, generata a temperatura ambiente, dentro e fuori dall'ambiente criogenico. Ciò avviene tramite dispositivi chiamati conduttori di corrente, di cui più di 3000 unità sono installate in diversi luoghi sotterranei attorno alla circonferenza dell'LHC. Il design convenzionale dei conduttori di corrente, basato su conduttori metallici raffreddati a vapore, impone un limite inferiore (circa 1,1 W/kA) alla perdita di calore nell'elio liquido. L'adozione del nastro HTS BSCCO 2223 (ceramica di ossido di rame-bismuto-stronzio-calcio), utilizzato nei conduttori di corrente dell'LHC nell'intervallo di temperatura compreso tra 4,5 e 50 K, ha consentito di districare la conduzione termica e la dissipazione ohmica. Il successo della ricerca e sviluppo multidisciplinare seguita dalla prototipazione al CERN e poi dall'industrializzazione, con la produzione in serie dei circa 1.100 conduttori attuali dell'LHC HTS a partire dal 2004, ha portato a risparmi sia di capitale che operativi (evitando un crioimpianto aggiuntivo e un risparmio di circa 5.000 l/h di elio liquido). Ha inoltre incoraggiato una più ampia adozione della tecnologia dei conduttori di corrente BSCCO 2223, ad esempio nei circuiti magnetici per il tokamak ITER, che beneficiano di un accordo di collaborazione con il CERN sullo sviluppo e la progettazione dei conduttori di corrente HTS.