High point for CERN and high-temperature superconductors
Authors/Creators
Description
Amalia Ballarino is named the Superconductor Industry Person of the year 2006.
Amalia Ballarino showing a tape of high-superconducting material used for the LHC current leads.
The CERN project leader for the high-temperature superconducting current leads for the LHC, Amalia Ballarino, has received the award for "Superconductor Industry Person of the Year". This award, the most prestigious international award in the development and commercialization of superconductors, is presented by the leading industry newsletter "Superconductor Week". Amalia Ballarino was selected from dozens of nominations from around the world by a panel of recognized leading experts in superconductivity. "It is a great honour for me," says Amalia Ballarino. "It has been many years of hard work, and it's a great satisfaction to see that the work has been completed successfully."
Amalia Ballarino has been working on high-temperature superconducting materials since she arrived at CERN in 1997. The high-temperature superconducting (HTS, see box) current leads are used in the LHC to transfer current from the room-temperature power converters to the thousands of superconducting magnets operating at liquid helium temperature. The LHC is equipped with more than 1000 HTS leads, representing the first real large-scale commercial application of HTS materials in the world. As Project Manager, Amalia Ballarino has been responsible for the leads from the initial HTS materials testing and selection to the engineering design and collaboration with industry and laboratories all around the world for the manufacturing and testing of the final series production. "The challenge of the project has been enormous, starting from the very beginning when it was not at all obvious that the HTS material would achieve the performance required for this very large-scale application", says Amalia Ballarino. "The effort made at CERN in the optimization and design of these components has been such that now HTS leads are considered the natural solution for any electrical system operating at cryogenic temperatures."
Bringing electrical current from the room-temperature power system into the extremely cold environment poses the engineering challenge of how to transport large amounts of electricity while minimizing the amount of power dissipated into the cryogenic system. Thanks to its zero resistance and its low thermal conductivity, the use of HTS material incorporated in the colder part of the leads allows an important saving in cooling power. Using HTS leads in the LHC has reduced the heat load into the liquid helium environment by a factor greater than ten with respect to conventional self-cooled leads.
The high-temperature superconducting material used in the LHC current leads is a compound of bismuth (Bi-2223), which operates in the LHC leads in a temperature range of between 50 K and 4.2 K. This material is produced in the form of a multi-filamentary tape, where the superconducting filaments are embedded in a silver alloy matrix of relatively low thermal conductivity. The tape is made with a mechanical deformation process that aligns the superconducting grains within the silver matrix and thus minimizes obstacles to current flow.
"I'm grateful to the LHC management for having entrusted me with this high-tech project that simply had to work – both for reducing costs of the LHC and for the good of the HTS industry at large!", underlines Amalia Ballarino. "I also wish to thank my colleagues, the specialists in the TS Department, whose expertise in brazing, welding and surface treatments has enabled elegant solutions to be found to a number of difficult problems – and of course the technicians in our small section for their able support throughout this challenging project".
See also "Superconductor Week" Press release.
Did you know?
Superconductors have the property to transport electricity without any resistance and without any loss of energy by heating. Conventional low-temperature superconductors (LTS), such as the niobium and titanium alloy used in the LHC magnets, become superconducting at the very low temperature of around 10 K (–263°C). Their operation requires a sophisticated cryogenic system with liquid helium. In 1986, researchers discovered a family of ceramics that becomes superconducting at 30 K (-243°C), a temperature higher than for any metallic superconductor. Ceramic materials were expected to be insulators, and certainly not superconductors! This discovery of the first "high-temperature superconducting material" (HTS) was followed by an impressive series of announcements of new compounds belonging to the family of the cuprates with higher and higher critical temperatures. So far, the record critical temperature is from mercury-thallium-barium-calcium-copper-oxygen, which becomes superconducting at 139 K (-134°C). These ceramic superconductors can be cooled with liquid nitrogen (77 K), much cheaper than liquid helium, using cryogenic machinery that is much easier to operate. The HTS cuprates are among the most complex materials ever explored for practical applications. Unlike the low temperature NbTi superconductors, the HTS material is fragile, calling for special care when handling and for innovative engineering in its application.
Other (French)
Amalia Ballarino a reçu un prix pour couronner ses travaux sur les supraconducteurs à haute température critique.
Amalia Ballarino présentant un ruban de matériau supraconducteur utilisé pour les amenées de courant du LHC.
Amalia Ballarino, chef de projet du CERN pour les amenées de courant supraconductrices à haute température critique du LHC, a été désignée « Superconductor Industry Person of the Year ». Cette distinction internationale, la plus prestigieuse dans le domaine du développement des supraconducteurs et de leurs applications commerciales, lui a été décernée par la revue spécialisée Superconductor Week. Un jury composé d'experts de premier plan de la supraconductivité a sélectionné Amalia Ballarino parmi plusieurs dizaines de candidats du monde entier. « C'est un grand honneur pour moi, a déclaré Amalia Ballarino. Après avoir travaillé dur pendant de nombreuses années, il est très gratifiant de voir nos efforts couronnés de succès. »
Amalia Ballarino étudie les matériaux supraconducteurs à haute température critique (HTS pour High-Temperature Superconductors) depuis son arrivée au CERN, en 1997. Les amenées supraconductrices HTS (voir encadré) sont utilisées au LHC pour ache-miner le courant depuis les convertisseurs de puissance (à température ambiante) jusqu'à plusieurs milliers d'aimants supraconducteurs (qui fonctionnent à la température de l'hélium liquide). Doté de plus de mille amenées HTS, le LHC représente la première véritable application commerciale à grande échelle de ces matériaux dans le monde. En tant que chef de projet, Amalia Ballarino a supervisé tout le processus : les premiers essais et le choix des matériaux HTS, puis la conception technique et, enfin, la collaboration avec des entreprises et des laboratoires du monde entier pour l'élaboration des prototypes et les essais en vue de la production en série. « Ce projet représente depuis ses débuts un immense défi, car il n'était pas du tout évident que les matériaux HTS atteindraient les perfor-mances requises pour cette application à très grande échelle, explique Amalia Ballarino. Grâce aux contributions du CERN pour élaborer et optimiser les amenées HTS, celles-ci s'imposent aujourd'hui d'emblée pour tout système électrique fonctionnant aux températures cryogéniques. »
Pour faire passer le courant des convertisseurs de puissance, qui fonctionnent à température ambiante, à un environnement cryogénique, il faut surmonter un problème technique de taille : le transport de grandes quantités d'électricité en limitant le plus possible la dissipation d'énergie dans le système cryogénique. Grâce à sa résistance nulle et à sa faible conductivité thermique, le matériau HTS intégré dans la partie la plus froide des amenées permet des économies considérables d'énergie de réfrigération. L'utilisation des amenées HTS au LHC réduit la charge thermique dans l'hélium d'un facteur supérieur à 10 par rapport aux amenées classiques auto-refroidies.
Le matériau HTS utilisé pour les amenées du LHC est un composé du bismuth (Bi-2223), qui est mis en œuvre dans une plage de température comprise entre 50 K et 4,2 K. Il est produit sous la forme d'un ruban comportant des filaments multiples noyés dans une matrice en alliage d'argent de conductivité thermique relativement faible. Ce ruban est réalisé selon un procédé de déformation mécanique, qui aligne les grains supraconducteurs à l'intérieur de la matrice d'argent, de façon à réduire au minimum les obstacles au passage du courant.
« Je suis reconnaissante à l'équipe de direction du LHC de m'avoir confié ce projet de haute technologie qui devait absolument aboutir, tant pour réduire les coûts du LHC que pour faire avancer la technologie HTS, a souligné Amalia Ballarino. Je tiens également à remercier mes collègues, les spécialistes du Département TS, qui, par leur connaissance pointue du brasage, du soudage et des traitements de surface, ont su trouver des solutions élégantes à plusieurs problèmes délicats et, bien sûr, les techniciens de notre petite section, qui ont mis leurs compétences à notre disposition tout au long de cet ambitieux projet. »
Voir également le communiqué de presse de "Superconductor Week".
Le saviez-vous ?
Les supraconducteurs ont la propriété de conduire l'électricité sans résistance ni perte d'énergie par échauffement. Les supraconducteurs classiques à basse température (LTS, pour Low Temperature Superconductors), tels que l'alliage niobium/titane (NbTi) utilisé dans les aimants du LHC, acquièrent cette propriété autour de 10 K (–263° C). Leur exploitation exige un système cryogénique complexe, à base d'hélium liquide. En 1986, des chercheurs ont découvert une classe de céramiques qui deviennent supraconductrices à 30 K (-243° C), c'est-à-dire à une température supérieure à celle de tout supraconducteur métallique. On pensait alors que les céramiques étaient des isolants, et non pas des supraconducteurs ! La découverte du premier supraconducteur à haute température critique (HTS) a été suivie d'une impressionnante série d'annonces de nouveaux composés, de la famille des cuprates, dont la supraconductivité se manifestait à des températures critiques de plus en plus élevées. À ce jour, la température critique record est celle de l'alliage mercure-thallium-baryum-calcium-cuivre-oxygène, qui devient supraconducteur à 139 K (-134° C). On peut refroidir ces céramiques supraconductrices avec de l'azote liquide (à 77 K), bien moins cher que l'hélium liquide, grâce à un système cryogénique qui est aussi nettement plus simple à utiliser. Les cuprates HTS font partie des matériaux les plus complexes étudiés en vue d'applications pratiques. Contrairement aux supraconducteurs NbTi, les HTS sont fragiles. Il faut donc prendre des précautions particulières pour les manipuler et recourir à des techniques novatrices pour les mettre en œuvre.
Additional details
Identifiers
- CDS
- 1035692
- CDS Report Number
- BUL-NA-2007-114