ITMI20060257A1

ITMI20060257A1 - Cavo superconduttore

Info

Publication number: ITMI20060257A1
Application number: IT000257A
Authority: IT
Inventors: Domenico Valori
Original assignee: Tratos Cavi S P A
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2007-08-14
Also published as: EP1818947A3; EP1818947A2

Description

La presente invenzione si riferisce ad un cavo superconduttore.

Come noto i superconduttori sono materiali che presentano resistenza elettrica molto bassa e permettono il passaggio di corrente elettrica con perdite estremamente ridotte.

Attualmente i cavi superconduttori vengono realizzati mediante corde in leghe rame/niobio oppure rame/lantanio; tali cavi, quando portati a temperature estremamente basse (8-10 K corrispondenti a -265/-263°C) presentano comportamento superconduttore.

È evidente che lavorare alle temperature indicate (prossime allo zero assoluto) pone numerosi problemi di tipo pratico per il superamento dei quali sono stati sviluppati nuovi materiali che presentano comportamento superconduttore anche a temperature più elevate rispetto a quelle indicate.

In particolare sono stati sviluppati elementi superconduttori di MgB2 (dioboruro di magnesio) annegati in strutture metalliche di varia forma che presentano il fenomeno della superconduttività fino a temperature di qualche decina di K (in particolare fino a 33/35 K); utilizzando tali materiali sono stati realizzati cavi speciali con fili e/o piattine in materiale superconduttore utilizzabili fino alle temperature (relativamente alte) specificate.

Tuttavia, ì cavi superconduttori sopra indicati sono estremamente sensibili alla temperatura di funzionamento e, in particolare, a causa di un difetto tecnico o di un innalzamento della temperatura dell'ambiente in cui sono contenuti i cavi superconduttori si può verificare un repentino scadimento delle caratteristiche superconduttive dei materiali (corrente critica) con un conseguente aumento della loro resistenza elettrica; a causa delle elevatissime correnti trasportate dai cavi superconduttori ciò ha conseguenze disastrose sui cavi.

Il compito tecnico che si propone la presente invenzione è, pertanto, quello di realizzare un cavo superconduttore che consenta di eliminare gli inconvenienti tecnici lamentati della tecnica nota.

Nell'ambito di questo compito tecnico uno scopo dell'invenzione è quello di realizzare un cavo superconduttore che sia in grado di resistere e superare inconvenienti a seguito dei quali le caratteristiche superconduttive dei materiali scadono; in particolare secondo il trovato il cavo è in grado di resistere ad imprevisti aumenti di temperatura dell'ambiente in cui è inserito il cavo superconduttore o a danneggiamenti dei fili superconduttori senza che le elevatissime correnti trasportate dai cavi stessi generino situazioni pericolose per il cavo o per l'ambiente.

Il compito tecnico, nonché questi ed altri scopi, secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un cavo superconduttore secondo la rivendicazione 1.

Altre caratteristiche della presente invenzione sono definite, inoltre, nelle rivendicazioni successive.

Vantaggiosamente, il cavo superconduttore secondo il trovato è in grado di lavorare (cioè trasportare energia) senza generare intensi campi magnetici nell'ambiente circostante.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita ma non esclusiva del cavo superconduttore secondo il trovato, illustrata a titolo esemplificativo e non limitativo nei disegni allegati, in cui:

la figura 1 mostra una sezione del cavo superconduttore secondo il presente trovato; e la figura 2 mostra una esempio particolare di un cavo secondo il trovato.

Con riferimento alle figure citate, viene mostrato un cavo superconduttore indicato complessivamente con il numero di riferimento 1.

Il cavo superconduttore 1 comprende un nucleo 2 definito da una corda 3 atta a fornire il sostegno meccanico al cavo 1 annegata in una matrice 4 di materiale conduttore elettrico realizzata in alluminio ricotto con purezza superiore al 99,5%; sul nucleo 2 è realizzato un primo strato 5 in fili di materiale superconduttore a base di MgB2.

Inoltre, il cavo 1 comprende uno strato 6 in materiale isolante realizzato intorno al primo strato 5 in fili di materiale superconduttore; intorno allo strato isolante 6, il cavo 1 presenta uno strato 7 in materiale conduttore elettrico costituito ancora da alluminio ricotto con purezza superiore al 99,5% e, sopra a questo, un secondo strato 8 in fili o piattine di materiale superconduttore a base di MgB2.

Sopra al secondo strato 8 in fili o piattine in materiale superconduttore è realizzato uno strato 9 di protezione meccanica esterna e intorno allo strato 9 di protezione meccanica esterna, il cavo 1 presenta uno strato di sigillatura 10 in alluminio ricotto con purezza superiore al 99,5% oppure in leghe di A1/Mg, o A1/Mn, o A1/Zr.

In diversi esempi di realizzazione, la corda 3 del nucleo 2 è realizzata in corda metallica con fili in acciaio ad alta resistenza, oppure in leghe di alluminio-nichel a basso coefficiente di dilatazione oppure in fibre di carbonio ed il diametro dei fili di questa corda 3 è compreso tra 1-3,5 millimetri; questa corda 3 costituisce l'elemento portante del cavo superconduttore 1 ed è in grado di sostenere gli sforzi di trazione durante l'installazione e le tensioni meccaniche derivanti dal ritiro dei materiali tra la temperatura ambiente e -255°C.

La matrice 4 in materiale conduttore del nucleo 2 è realizzata in alluminio ricotto; vantaggiosamente l'alluminio è vincolato alla corda 3 del nucleo 2 mediante estrusione plastica ad alta pressione (circa 500 atmosfere e 400 °C) , in modo da compenetrare anche nelle aree stellari ed annegare completamente la corda 3 nell'alluminio.

Il diametro esterno del nucleo (comprensivo della corda 3 e della matrice 4 in alluminio) è compreso tra 8,0-20,0 millimetri.

I fili superconduttori dello strato 5 sono a base di MgB2 (dioboruro di magnesio) e presentano diametro compreso tra 1,0-5,0 millimetri.

Lo strato 6 isolante è realizzato in materiali fluocarbonici (quali politetrafluoroetilene come PTFE, o ETFE, o FEP, o PFA, o MFA) e/o poliimidici (come il prodotto kapton prodotto dalla Dupont), che sono adatti a resistere alle temperature prossime allo zero assoluto alle quali deve lavorare il cavo superconduttore 1.

Lo strato 7 in materiale conduttore è realizzato in alluminio ricotto (delle stesse caratteristiche rispetto a quello del nucleo 2) e presenta diametro esterno compreso tra 15,0-30,0 millimetri.

I fili superconduttori del secondo strato 8 superconduttore sono costituiti da piattine di MgB2 che presentano dimensioni comprese tra 4x 0,5 a 8x1,5 millimetri.

Lo strato 9 di protezione esterna è realizzato mediante un elemento tubolare longitudinalmente corrugato realizzato in acciaio (preferibilmente acciaio inox) formato e saldato longitudinalmente con TIG (tungsten inert gas) o con laser avente diametro esterno compreso tra 18,0 - 38,0 millimetri .

Tale strato 9 oltre a fungere da protezione meccanica per gli strati interni del cavo 1 costituisce una barriera contro gli effetti di eventuali cortocircuiti che si potrebbero verificare all'interno del cavo e potrebbero provocare l'esplosione dell'idrogeno liquido quando il cavo è posto in opera all'interno di tubature in cui scorre appunto idrogeno liquido.

Lo strato 10 di sigillatura è realizzato in alluminio ricotto e, preferibilmente, esso è realizzato mediante estrusione plastica ad alta pressione dell'alluminio; tale strato 10 presenta diametro esterno compreso tra 20,0-45,0 millimetri e garantisce l'ermeticità degli strati interni (in particolare dei superconduttori dello strato 8) bloccando ogni infiltrazione di idrogeno dall'esterno.

Inoltre, questa guaina cerchiando lo strato in acciaio 9 ne rinforza la resistenza.

Il cavo secondo il trovato è atto a trasportare energia immerso in una conduttura di idrogeno liquido a temperatura di 18K (corrispondenti a circa -255°C).

La corrente viene trasportata nello strato superconduttore 5; fluendo in tale strato la corrente elettrica genera un campo magnetico che induce una forza elettromotrice nei superconduttori dello strato 8; in pratica, dunque, nello strato 8 si genera una corrente uguale e di segno opposto alla corrente che fluisce nello strato 5, ciò permette di annullare il campo magnetico all'esterno dello strato superconduttore 8.

Gli elementi di MgB2 possono sopportare alle temperature di esercizio del cavo (18 K) in servizio continuativo una densità di corrente pari a circa 400A/mm2 (fili) e 400A/mm2 (piattine), permettendo di avere sezioni superconduttive estremamente ridotte anche in presenza di altissime intensità di corrente da trasportare e dimensioni esterne del cavo compatibili con l'inserimento in una conduttura di idrogeno liquido con ridottissime perdite di carico.

In particolare, il cavo illustrato in figura 2 può trasportare in servizio continuativo una corrente di 6500A alla tensione continua di 4500KV, corrispondenti ad una potenza di 29MVA; è comunque chiaro che questi valori possono essere superati aumentando il diametro dei fili e lo spessore delle piattine superconduttive.

La matrice 4 (sulla quale poggiano i fili superconduttori dello strato 5) costituisce la massa elettrica in grado di assorbire le correnti derivanti da eventuali guasti derivanti da uno o più superconduttori o di far fronte alle conseguenze di eventuali innalzamenti di temperatura nel condotto di idrogeno liquido che farebbero diminuire la corrente critica trasportata dai superconduttori.

Dunque la funzione dell'alluminio del nucleo è di permettere l'intervento delle protezioni del circuito senza che si verifichino danneggiamenti nel cavo superconduttore, drenando in caso di guasto o problemi la corrente in eccesso rispetto a quella critica dei fili conduttori in regime di superconduttività alla temperatura contingente.

Lo strato in alluminio 7 svolge la stessa funzione dell'alluminio del nucleo nei riguardi delle piattine dello strato superconduttore 8 e costituisce una massa elettrica in grado di assorbire eventuali guasti di una o più piattine superconduttrici o fare fronte ad improvvisi aumenti dì temperatura dell'ambiente in cui è contenuto il cavo 1.

Anche in questo caso in una delle situazioni di pericolo specificate lo strato in alluminio 7 permette l'intervento delle protezioni del circuito elettrico, senza che si verifichi un danneggiamento permanente dei superconduttori, drenando la corrente in eccesso rispetto a quella critica delle piattine in regime di superconduttività alla temperatura contingente.

Lo strato di alluminio 7 garantisce anche la perfetta ermeticità ed impedisce che si possano verificare infiltrazioni di idrogeno liquido che potrebbero danneggiare l'isolante o provocare danni nei fili superconduttori.

Si è in pratica constatato come il cavo superconduttore secondo l'invenzione risulti particolarmente vantaggioso perché è molto affidabile e sicuro.

Il cavo superconduttore così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti, In pratica i materiali utilizzati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a secondo delle esigenze e dello stato della tecnica.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Cavo superconduttore, caratterizzato dal fatto di comprendere un nucleo definito da una corda atta a fornire il sostegno meccanico annegata in una matrice di materiale conduttore elettrico, su detto nucleo essendo realizzato un primo strato in fili di materiale superconduttore.
2. Cavo superconduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere uno strato in materiale isolante realizzato intorno al primo strato in fili di materiale superconduttore.
3. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che intorno allo strato isolante è realizzato uno strato in materiale conduttore elettrico e, sopra a questo, un secondo strato in fili o piattine di materiale superconduttore.
4. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che sopra al secondo strato in fili o piattine in materiale superconduttore è realizzato uno strato di protezione meccanica esterna.
5. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che intorno allo strato di protezione meccanica esterna, il cavo presenta uno strato di sigillatura.
6. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la corda di detto nucleo è realizzata in corda metallica con fili in acciaio ad alta resistenza, oppure in leghe di alluminio-nichel a basso coefficiente di dilatazione oppure in fibre di carbonio.
7. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il diametro dei fili di detta corda di detto nucleo è compreso tra 1-3,5 millimetri.
8. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la matrice in materiale conduttore di detto nucleo è realizzata in alluminio.
9. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'alluminio è vincolato alla corda del nucleo mediante estrusione plastica ad alta pressione, in modo da compenetrare nelle aree stellari della corda.
10. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il diametro esterno del nucleo è compreso tra 8,0-20,0 millimetri.
11. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i fili superconduttori del primo strato sono a base di MgB2.
12. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il diametro dei fili superconduttori del primo strato è compreso tra 1,0-5,0 millimetri.
13. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo strato isolante è realizzato in materiali fluocarbonici e/o poliimidici.
14. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo strato in materiale conduttore è realizzato in alluminio.
15. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo strato in alluminio presenta diametro esterno compreso tra 15,0-30,0 millimetri.
16. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che 1 fili o piattine superconduttori del secondo strato superconduttore sono costituiti da piattine di MgB2.
17. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette piattine presentano dimensioni comprese tra 4x 0,5 a 8x1,5 millimetri.
18. Cavo superconduttore secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto strato di protezione esterna è realizzato mediante un elemento tubolare longitudinalmente corrugato .
19. Cavo superconduttore secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che l'elemento tubolare è realizzato in acciaio.
20. Cavo superconduttore secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che il diametro esterno dell'elemento tubolare è compreso tra 18,0 - 38,0 millimetri.
21. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo strato di sigillatura è realizzato in alluminio.
22. Cavo superconduttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo strato di sigillatura è realizzato mediante estrusione plastica ad alta pressione dell'alluminio .
23. Cavo superconduttore secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che lo strato di sigillatura presenta diametro esterno compreso tra 20,0-45,0 millimetri.
24. Impianto di trasporto di energia, caratterizzato dal fatto di comprendere un condotto di idrogeno liquido al cui interno è alloggiato almeno un cavo realizzato secondo una o più delle rivendicazioni 1-23.