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HTSL-Stromzuführung

HTSL-Stromzuführungen waren die erste technische Anwendung des Hochtemperatursupraleitermaterials. Hierbei wird der Teil des Wärmetauschers, der sich zwischen 4 Kelvin und etwa 65 Kelvin befindet, durch ein Bauteil ersetzt, das HTSL enthält. Dieses Material hat neben der Eigenschaft im betreffenden Temperaturbereich supraleitend zu sein noch den weiteren Vorteil, dass die Wärmeleitfähigkeit wesentlich geringer ist als die von z.B. Kupfer. Beides führt zu einer drastischen Reduzierung des Wärmeeintrags auf das 4 K Niveau und somit zu einer enormen Einsparung von Kälteleistung. Technisch ist eine Reduzierung der benötigten Kälteleistung von einem Faktor 3 – 5 erreichbar.

 

Vergleich zwischen einer konventionellen und einer HTSL-Stromzuführung
Vergleich zwischen einer konventionellen und einer HTSL-Stromzuführung

 
Der prinzipielle Aufbau der HTSL-Stromzuführung

  • Wärmetauscher (gewöhnlich aus Kupfer), aktiv mit Helium oder Stickstoff gekühlt, überspannt den Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 60 – 80 K
  • HTSL-Bauteil (gewöhnlich Edelstahlträger mit Kupferenden, bestückt mit HTSL-Bandleiter), über Wärmeleitung vom untern Temperaturende gekühlt, überspannt den Temperaturbereich zwischen 60 – 80 K und 4 K
  • Sowohl das Raumtemperaturende als auch das 4 K Ende werden als Verbindungselemente zu den normalleitenden Stromschienen bzw. zum supraleitenden Spulenanschluss ausgebildet

 

Hochtemperatursupraleiter Eigenschaften: BiSCCO

BiSCCO ist ein HTSL-Material der sog. 1. Generation und wird in Form von Multifilamenten in einer metallischen Matrix hergestellt, ähnlich zu den klassischen Niedertemperatursupraleitern NbTi oder Nb3Sn. Alternativ hierzu werden auch sogenannte „Bulk“-Supraleitermaterialien angeboten, d.h. dicke Supraleiter ohne Matrix oder nur mit sehr dünner leitenden Schicht. Diese Materialien haben eine noch geringere Wärmeleitfähigkeit als die Matrixleiter, jedoch sind die Notlaufeigenschaften, z.B. im Quenchfall, drastisch schlechter.
Infolge der Notwendigkeit einer Reaktionsglühung des Materials unter Sauerstoffatmosphäre wird Silber als Matrixmaterial verwendet. Allerdings ist Silber wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit für den Einsatz in Stromzuführungen denkbar ungeeignet. Man hat aber in den 90er Jahren festgestellt, dass die Beimischung von einigen Gewichtsprozenten Gold die Permeationsfähigkeit für Sauerstoff nicht sehr beeinflusst, die Wärmeleitfähigkeit jedoch drastisch reduziert.
Alle großen Anlagen, die zur Zeit betrieben werden oder sich im Aufbau befinden und die Betriebsströme von einigen 10 kA benötigen, verwenden HTSL-Stromzuführungen mit BiSCCO/AgAu-Leiter. Das ITEP ist im Bereich aller Fusionsanlagen (ITER, W7-X, JT-60SA) beteiligt bzw. hat Pionierarbeit geleistet, was mit zum Durchbruch dieser Technologie beigetragen hat.