World-record current in the MgB2 superconductor
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In the framework of the High-Luminosity LHC project, experts from the CERN Superconductors team recently obtained a world-record current of 20 kA at 24 K in an electrical transmission line consisting of two 20-metre long cables made of Magnesium Diboride (MgB2) superconductor. This result makes the use of such technology a viable solution for long-distance power transportation.
“The test is an important step in the development of cold electrical power transmission systems based on the use of MgB2,” says Amalia Ballarino, head of the Superconductors and Superconducting Devices section in the Magnet, Superconductors and Cryostat group of the Technology Department, and initiator of this project. “The cables and associated technologies were designed, developed and tested at CERN. The superconducting wire is the result of a long R&D effort that started in 2008 between CERN and the manufacturer, Columbus Superconductors in Genova.”
The result was achieved at a temperature of 24 K (about -249 ˚C) using a test station that was purpose-designed and assembled at CERN. The temperature is kept homogeneous over the 20-metre length of the line by a forced flow of helium gas. Following intense development, the full 2 x 20-metre long MgB2 superconducting line was successfully powered to the world-record current of 20 kA, showing that this technology has great potential for the transmission of electrical power.
The superconducting properties of this relatively cheap material were discovered in 2001, but conductor technology only existed in the form of tape. Round wire, which is more appropriate for assembling into high-current cables, was not available when the CERN project started. “First, it was necessary to develop quality round wires adapted for use in this project, with high current density and uniform superconducting properties,” explains Ballarino. “This work was done through a close collaboration between CERN and Columbus Superconductors, which manufactured different generations of wires with different architectures and with improved properties. In parallel, we at CERN developed the high-current cables and the electrical transmission line.”
The project is part of the FP7 Hi-Lumi LHC Design Study. In the high-luminosity LHC configuration, the power converters supplying current to the superconducting magnets are planned to be moved from their present location in the LHC tunnel to the surface or to radiation free underground areas and they will be connected to the magnets through a new cold powering system. A dedicated study in 2009 confirmed that electrical transfer lines based on the use of MgB2 superconductor, having a critical temperature of 39 K, could be a viable and economical technology, bringing several advantages with respect to the conventional Nb-Ti bus cable used today for the LHC.
Further to the CERN initiative, MgB2 superconducting technology was also proposed by Prof. Carlo Rubbia, scientific director of the Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam, for an innovative transmission line for long-distance transport of green power. “MgB2 superconducting cables cooled by liquid hydrogen have been proposed for use in long-distance underground power transmission lines, with periodically spaced cryogenic cooling stations. A collaboration agreement between CERN and IASS was signed in March 2012 with the objective of proving the feasibility of the technology. The development was aimed at testing a 20 kA DC line operated at 20 K (-253 °C), which was also conveniently close to the CERN requirement for powering the magnets,” confirms Amalia Ballarino. She concludes: “The result of our tests is a demonstration that such high-current cables can be operated at and above the temperature of liquid hydrogen, and that the basic related technology is now proven.”
Other (French)
Dans le cadre du programme de relèvement de la luminosité du Grand collisionneur de hadrons (projet HL-LHC), des experts de l’équipe chargée des supraconducteurs du CERN ont réussi à atteindre 20 kA sur une ligne de transmission électrique. Cette intensité record a été obtenue à une température de 24 K sur une ligne composée de deux câbles supraconducteurs à base de diborure de magnésium (MgB2), de 20 m de longueur chacun. Grâce à ce résultat, il est maintenant possible d’envisager d’utiliser cette technologie pour le transport d’énergie sur une longue distance.
« Ce test constitue une étape importante dans le développement de systèmes d’alimentation électrique froids à base de MgB2 », explique Amalia Ballarino, responsable de la section Supraconducteurs et Dispositifs supraconducteurs au sein du groupe Aimants, Supraconducteurs et Cryostats du département Technologie du CERN, et initiatrice de ce projet. Les câbles et les technologies associées ont été conçus, développés et testés au CERN. Le câble supraconducteur est le fruit de longs travaux de recherche et de développement initiés en 2008 par le CERN et le fabricant, Columbus Superconductors, à Gênes. »
Le test a eu lieu dans une station d’essai conçue et assemblée à cet effet au CERN, dans laquelle la température a pu être maintenue constante à 24 K (environ -249 °C) sur les 20 mètres de longueur du câble par un flux forcé d’hélium gazeux. Fruit d’une intense phase de développement, la ligne superconductrice de MgB2 complète, de 2 x 20 mètres de long, a ainsi pu recevoir un courant record de 20 kA, prouvant que cette technologie dispose d'un énorme potentiel pour la transmission électrique.
Les propriétés supraconductrices de ce matériau relativement bon marché ont été découvertes en 2001, mais celui-ci n’existait alors que sous forme de ruban. Les fils ronds, plus appropriés pour un assemblage en câbles à haute intensité, n'étaient pas encore disponibles lorsque le projet du CERN a commencé. « Il a fallu avant tout développer des fils ronds de bonne qualité, adaptés au projet, de densité de courant élevée et aux propriétés supraconductrices uniformes, explique Amalia Ballarino. Cela a pu être réalisé grâce à l’étroite collaboration entre le CERN et Columbus Superconductors, collaboration qui a abouti à la fabrication de différentes générations de fils d'architectures différentes et aux propriétés optimisées. En parallèle, nous avons développé au CERN les câbles à haute intensité ainsi que la ligne de transmission électrique. »
Des membres de l'équipe Supraconducteurs et Dispositifs supraconducteurs du CERN devant la station d'essai.
Ce projet fait partie du programme de relèvement de la luminosité du LHC (HL-LHC), dans le cadre du 7e programme-cadre. Dans le projet HL-LHC, il est prévu de déplacer les convertisseurs de puissance alimentant les aimants supraconducteurs, situés actuellement dans le tunnel du LHC, à la surface, ou dans des zones souterraines protégées des radiations, et de les connecter aux aimants par un nouveau système d’alimentation froid. Une étude réalisée en 2009 confirmait que les lignes de transfert électrique au diborure de magnésium, ayant une température critique de 39 K, pouvaient être une technologie économique et viable, présentant plusieurs avantages par rapport aux câbles traditionnels à base de niobium-titane (Nb-Ti) actuellement utilisés au LHC.
Suite à l’initiative du CERN, cette technologie supraconductrice à base de MgB2 a également été proposée par le Prof. Carlo Rubbia, directeur scientifique de l'Institut des études avancées sur la durabilité (Institute for Advanced Sustainability Studies - IASS), à Potsdam, pour la création d'une ligne de transmission innovante pour le transport d’électricité verte sur de grandes distances. « Il est proposé d'utiliser des câbles supraconducteurs au MgB2 refroidis à l'hydrogène liquide pour fabriquer de longues lignes de transmission électrique souterraines, qui seraient refroidies dans des stations de refroidissement cryogéniques situées à intervalles réguliers. Un accord de collaboration entre le CERN et l’IASS a été signé en mars 2012 pour évaluer la faisabilité de cette technologie. L’objectif était de tester une ligne en courant continu de 20 kA opérant à une température de 20 K (-253 °C). Ce qui, finalement, était assez proche des exigences du CERN pour l’alimentation de ses aimants, confirme Amalia Ballarino. Nos résultats ont montré que de tels câbles à haute intensité peuvent fonctionner à la température de l’hydrogène liquide, et même à une température supérieure, et que la technologie de base associée a maintenant fait ses preuves. »
(Vidéo en anglais)
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- 1693853
- CDS Report Number
- BUL-NA-2014-070
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- Periodical issue: ty6sg-ysw16 (CDS)
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