Vitesse de propagation de la zone normale dans des empilements de rubans supraconducteurs à haute température critique

Ces dernières années, des avancées technologiques dans le domaine des rubans supraconducteurs à haute température critique (HTS) ont permis d’améliorer leur robustesse et leur qualité. En ce sens, la recherche se tourne vers le développement de systèmes demandant des arrangements complexes de ces rubans tels des câbles supraconducteurs et des électro-aimants à fort champ magnétique. Ces systèmes de plus en plus complexes nécessitent toutefois une maîtrise grandissante des propriétés supraconductrices des rubans. En effet, ceux-ci restent encore très vulnérables quant à l’apparition de points chauds. Ces points constituent des régions du ruban ayant abruptement perdu leur supraconductivité à cause, par exemple d’un défaut dans le courant critique. Si ces points chauds ne sont pas détectés et contrôlés rapidement, ils peuvent générer une chaleur remarquable en une fraction de seconde menant à la dégradation complète de l’empilement supraconducteur. L’augmentation de la vitesse de propagation de la zone normale (NZPV) est une approche qui permet d’améliorer la détection des points chauds. Cette vitesse, relativement faible pour les supraconducteurs à haute température critique, peut être augmentée à l’aide de l’architecture current flow diverter (CFD) développée dans le laboratoire du prof. Sirois. Celle-ci permet d’augmenter drastiquement la NZPV sans nuire aux propriétés supraconductrices des rubans. De fait, l’architecture CFD modifie la résistance de l’interface entre la couche supraconductrice du ruban et la couche de stabilisateur. L’équipe du Prof. Sirois a montré que cette architecture est efficace quant à l’augmentation de la NZPV dans un ruban. Toutefois, il est primordial de démontrer le fonctionnement de l’architecture CFD dans des systèmes complexes de rubans supraconducteurs. Ce projet a permis de tester cette architecture sur des empilements de deux et de quatre rubans supraconducteurs pour différents types d’empilements. Les types d’empilements sont les suivants : un empilement conventionnel, un empilement où les couches supraconductrices sont mises face à face et un empilement mixte où un ruban régulier est combiné avec un ruban CFD. Les mesures expérimentales utilisent des rubans de REBCO de la compagnie SuperPower Inc. d’une largeur de 4 mm. Les résultats des expérimentations démontrent que l’architecture CFD ne perd pas ses propriétés dans les empilements étudiés. Par contre, l’empilement mixte de type face à face affiche une plus faible NZPV que l’empilement conventionnel. Finalement, une modélisation par éléments finis des empilements est réalisée par COMSOL Multiphysics pour corroborer les résultats obtenus expérimentalement.

Abstract

In recent years, major technological breakthroughs in the field of High Temperature Superconducting (HTS) tapes have led to improvements in their stability and quality. In this sense, research is focusing on the development of systems requiring complex arrangements of these tapes, such as superconducting cables and high-field electromagnets. These increasingly complex systems, however, require growing management of the superconducting properties of the tapes. In fact, they remain highly vulnerable to the appearance of hot spots. These are regions of the tape that have abruptly lost their superconductivity due to a defect in the critical current. If these hot spots are not detected and controlled quickly, they can generate remarkable heat in a fraction of a second, leading to complete degradation of the superconducting stack. Increasing the normal zone propagation velocity (NZPV) is one approach to improving hotspot detection. This velocity, which is relatively low for high-temperature superconductors, can be increased using the current flow diverter (CFD) architecture developed in Prof. Sirois’ laboratory. This makes it possible to drastically increase the NZPV without impairing the superconducting properties of the tapes. In fact, the CFD architecture modifies the resistance of the interface between the tape’s superconducting layer and the stabilizer layer. Prof. Sirois’ team has shown that this architecture is effective in increasing the NZPV in a tape. However, it is essential to demonstrate how the CFD architecture works in complex superconducting tapes systems. This project tested this architecture on superconducting stacks of two and four tapes for different types of stacking. The stack types are: a conventional stack, a face-to-face stack where the superconducting layers are put face-to-face, and a mixed stack where a regular tape is put with a CFD tape. Experimental measurements use 4 mm wide REBCO tapes from SuperPower Inc. The normal zone is initiated by a magnet, and the NZPV is calculated using voltage measurements. Experimental results show that the CFD architecture does not lose its properties in the stacks studied. However, the mixed face-to-face stack exhibits a lower NZPV than the conventional stack. Finaly, COMSOL Multiphysics finite element modeling of the stacks was carried out to corroborate the experimental results.