Division of accelerators, cryogenics and magnetism

Ce séminaire consistera en deux présentations :

Modelling of magnetization currents and AC losses in coated conductor coils of the 10 000 turn class and other 3D situations

(Dr. Enric PARDO, Inst. of Electrical Engineering, Slovak Academy of Science)

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Coated conductor magnets and Superconducting Magnetic Energy Storage Storage devices (SMES) may contain thousands of turns, up to about the order of 10000 (10k). Due to the HTS ReBCO tape shape and its relatively large width, magnetization currents are large and their interaction is important in closely packed windings. As a consequence, AC losses in coils cannot be estimated simply from that of a single tape and local magnetic field calculations, and thence advanced numerical methods are necessary.

This presentation will show an accurate computational method able to predict the magnetization currents and AC losses in circular coils with a high number of turns and a comparison to experiments. The computation method uses a variational principle to obtain the detailed current density J and takes the anisotropic magnetic-field dependence of J_c and smooth E(J) relation of the superconductor into account, as well as the interaction between magnetization currents of all turns. Calculations for 10k turn type coils show that the AC loss and magnetization currents are relatively high, causing significant relaxation effects and hysteresis in the generated magnetic field. The method is also suitable for 3D calculations and a simple example will be presented. This example is a 1 cm x 1 cm x 1 cm bulk submitted to a applied magnetic field, which shows a non-negligible current component in the direction of the applied magnetic field.

We will also present measurements of a coil with an optimized design for maximum energy while keeping low hysteresis loss. This coil consists of 670 turns of SuNAM tape distributed in 10 coaxial pancakes. The total AC loss measurements, done by calorimetric means, and measured loss voltage in few pancakes confirm the feasibility of the model. In conclusion, the presented model is suitable for the electromagnetic design of 10k turn class magnets and SMES, as supported by measurements on the relatively large coil.

Modélisation de la Vitesse de Propagation de la Zone Normale (VPZN) dans les rubans supraconducteurs à haute température critique 

(Dr. Frédéric SIROIS, Dép. de Génie Electrique, Ecole Polytechnique de Montréal)

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Les rubans supraconducteurs à haute température critique dits de "deuxième génération" possèdent une faible vitesse de propagation de la zone normale (VPZN) comparativement à des fils supraconducteurs à basse température critique. La conséquence de cette faible VPZN est que les rubans doivent être sur-stabilisés afin d'éviter l'apparition de points chauds dangereux, ce qui réduit la densité de courant effective d’un bobinage composé de ces rubans, de même que leur résistance par unité de longueur.

Récemment, une architecture de stabilisateur appelée “Current Flow Diverter" (CFD) a été proposée afin d’augmenter d’un à deux ordres de grandeur la VPZN de ces rubans supraconducteurs^[1]. Dans le concept de CFD, la résistance interfaciale entre le supraconducteur et la couche de métallique servant de stabilisateur est fortement augmentée au centre du ruban, mais reste faible sur les bords. Le courant est alors détourné vers les bords du ruban lorsqu’il transfère entre les deux couches, ce qui entraîne une augmentation importante de la longueur de transfert et de la VPZN. De plus, ce gain se fait avec un impact mineur sur la stabilité thermique du ruban, caractérisé par le critère de “Minimum Quench Energy” (MQE).

Dans ce travail, nous avons développé un modèle électro-thermique en utilisant la méthode des éléments finis pour étudier les effets de divers paramètres, tels que la température, le courant critique, l'épaisseur du stabilisateur, le courant appliqué, etc, sur la performance de l'architecture CFD en comparaison avec des rubans commerciaux. Nos résultats montrent que l'architecture CFD augmente la VPZN sur toute la gamme de température de fonctionnement considérée (4-90 K). En outre, nous avons découvert que les avantages de l'architecture CFD, en termes de VPZN, sont plus élevés lorsque le stabilisateur est plus mince et le courant critique devient plus élevé. Une amélioration de la VPZN de plus de deux ordres de grandeur est prévue pour des configurations particulières de ruban.

Ces résultats sont directement applicables à la conception à la conception de limiteurs de courant de court-circuit plus robuste pour les réseaux électriques, et ouvrent la voir à des électro-aimants à fort champ basés sur des rubans supraconducteurs à haute température critique qui seraient beaucoup plus simple à protéger contre l’emballement thermique qu’un électro-aimant conçu avec les rubans commerciaux actuels.

[1] C. Lacroix and F. Sirois, « Concept of current flow diverter for accelerating the normal zone propagation velocity in 2G HTS coated conductors », (2014) Supercond. Sci. Technol., v27, p035003.