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Entwicklung von Hochtemperatursupraleitern für Fusionsmagnete

Mögliche Einsatzbereiche verschiedener Supraleiter im Magnetfeld als Funktion der Temperatur. Die senkrechten Linien zeigen die Temperaturen möglicher Kühlmittel.
Mögliche Einsatzbereiche verschiedener Supraleiter im Magnetfeld als Funktion der Temperatur. Die senkrechten Linien zeigen die Temperaturen möglicher Kühlmittel.

Leiter: Dr. W. Goldacker

Durch eine Erhöhung der Betriebstemperatur supraleitender Magnete von derzeit 4.4K auf ca. 20 K könnten 80-90% der für die Supraleiter benötigten Kühlleistung künftiger Fusionsreaktoren eingespart werden, wodurch die Effizienz eines kommerziellen Fusionsreaktors deutlich gesteigert würde. Bei einer Erhöhung der Magnet-Temperatur auf 65-77 K könnte sogar flüssiger Stickstoff als Kühlmittel eingesetzt werden, was die Kosten für Investitionen und Betrieb drastisch reduzieren würde.

Kommerziell erhältliche Bi-Supraleiter könnten für einen Einsatz in Fusionsmagneten optimiert werden, wobei die Arbeitstemperatur etwa bei 20 K liegen könnte. Für einen Einsatz oberhalb von 65K kommt wegen der bei Fusionsmagnete typischen Feldern von 12 T lediglich YBa2Cu3Ox (YBCO) in Frage.   
 
Es gibt allerdings noch zahlreiche Herausforderungen auf dem Weg zu solch einem Leiter für Fusionsmagnete.

Die Physik der Hochtemperatursupraleiter ist derzeit zwar gut verstanden, bis zur technischen Anwendung von Leitern aus YBCO ist es jedoch noch ein weiter Weg. YBCO–beschichtete Bandleiter werden derzeit noch mit aufwändigen Methoden im Labormaßstab (Länge ca. 10-30 m) hergestellt. Dabei wird ein Metallband (Substrat) mit dem Supraleiter YBCO und einem dazwischen liegenden Puffer, der als chemische Barriere dient, beschichtet.

 

Schematischer Aufbau eines YBCO-Bandleiters

Da die Körner des YBCO für eine hohe Stromtragfähigkeit exakt ausgerichtet (texturiert) werden müssen, werden häufig texturierte Nickellegierungen als Substrat verwendet, deren Textur sich bei der Beschichtung auf Puffer und YBCO überträgt.

 

 

 
 
 
 
 
Auf dem Weg zum Fusionsleiter gibt es für YBCO noch viele Herausforderungen:

 

  • Wegen starker Neutronen-Aktivierung von Ni benötigt man alternatives Substratmaterial
  • Für thermische und elektrische Stabilisierung benötigt man leitfähiges Puffermaterial
  • Die gängigen, aber sehr langsamen und teuren Vakuumbeschichtungsmethoden müssen durch kostengünstigere Methoden, z.B. durch chemische Beschichtungsverfahren ersetzt werden.
  • Verseil- und Kabeltechniken müssen entwickelt werden
  • Das gewonnen Know-How muss zur Industrie transferiert werden
  • Die Tauglichkeit solcher Leiter für Fusionsmagnete muss gezeigt werden