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La normazione nel campo della superconduttività applicata

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LA NORMAZIONE NEL CAMPO DELLA SUPERCONDUTTIVITÀ APPLICATA (parte-1)

26/11/2021
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G. Angeli (Segretario CEI CT 90), A. Augieri (membro CEI CT 90), R. Cristiano (membro CEI CT 90), S. Germani (Technical Officer CEI CT 90), L. Martini (Presidente CEI CT 90).

Linee generali sull’attività normativa e i materiali a bassa temperatura critica

Introduzione

Il fenomeno della superconduttività fu osservato per la prima volta nel 1911 e consiste nella proprietà di alcuni materiali di annullare la propria resistenza elettrica al passaggio della corrente non appena la temperatura scende al di sotto di un valore di soglia, detto “Temperatura Critica”. Un’altra importante proprietà, scoperta nel 1933, è che un superconduttore si comporta come un perfetto diamagnete, cioè se esposto ad un campo magnetico esterno subisce una magnetizzazione di segno opposto che respinge debolmente il materiale e si assiste al fenomeno della levitazione magnetica. 

Una volta raffreddato e raggiunto lo stato superconduttore, il materiale può sotto certe condizioni perdere le proprietà superconduttive all’aumentare della corrente che lo percorre o all’aumentare del campo magnetico esterno che lo investe: per questo motivo, oltre alla Temperatura Critica (Tc), esistono altre due soglie importanti da considerare, ovvero la Corrente Critica (Ic) e il Campo Magnetico Critico. Per decenni le applicazioni della superconduttività si sono limitate alla ricerca scientifica, perché le temperature criogeniche necessarie sono di qualche grado Kelvin, quindi vicine allo zero assoluto, e questo ha ristretto il campo di applicazioni industriali a settori molto specifici. I cosiddetti superconduttori convenzionali, come i metalli puri e le loro leghe, esibiscono infatti la superconduttività a temperature al di sotto di 23 K. Il ricorso a superconduttori convenzionali, in particolare al niobio e alle sue leghe, in applicazioni è tuttavia rilevante in tutti quei casi dove il guadagno in termini di prestazioni ripaga ampiamente il costo delle basse temperature.

Una importante svolta ha avuto luogo nel 1986 con la scoperta dei Superconduttori ad Alta Temperatura (SAT), che possono essere raffreddati con azoto liquido. A pressione atmosferica, infatti, l’azoto liquido saturo assume una temperatura di 77 K, che risulta ampiamente inferiore ai valori di temperatura critica dei SAT. Sebbene si tratti di temperature criogeniche, l’azoto liquido è economico, facilmente reperibile e di semplice gestione, quindi la scoperta dei SAT ha aperto la strada a vere e proprie applicazioni industriali della superconduttività e ha contribuito a vincere il pregiudizio sull’utilizzo di tecniche criogeniche dando impulso anche all’utilizzo in ambito industriale di superconduttori a bassa temperatura (LTS – Low Temperature Superconductors). Gli addetti ai lavori di solito distinguono due tipologie di applicazioni: applicazioni di potenza e applicazioni in elettronica. Ad oggi sono molti i progetti che si sono susseguiti negli anni o che sono tutt’ora in corso e che riguardano un ampio ventaglio di dispositivi, molti di questi ancora basati sull’impiego di LTS: Superconducting Fault Current Limiters (SFCL), cavi, trasformatori, Superconducting Magnet Energy Storage (SMES), macchine elettriche rotanti, Magneti Superconduttori per la fusione termonucleare controllata, acceleratori di particelle, sistemi per terapia adronica,  MRI e NMR, dispositivi superconduttori per elettronica digitale e rivelatori, sensori magnetici SQUID.

È naturale quindi che sia nata la necessità di un’attività di normazione che potesse regolamentare gli aspetti industriali della superconduttività e proprio da queste premesse è stato creato in ambito CEI il Comitato Tecnico (CT) 90.

Accanto all’attività strettamente normativa, esiste un’attività preliminare in ambito pre-normativo mirata a preparare la strada per lo sviluppo degli standard internazionali. A questo proposito, a partire dal mese di aprile 2016, è stato avviato in ambito CIGRE il Working Group (WG) D1.64 “Electrical insulation systems at cryogenic temperatures con l’obiettivo di studiare le problematiche della progettazione dell’isolamento dielettrico per dispositivi basati su superconduttore operanti a temperature criogeniche e riassumerne le principali criticità in una CIGRE Technical Brochure (TB), la cui pubblicazione è prevista entro il 2021. Il Presidente e il Segretario del CT 90 del CEI sono stati attivamente coinvolti nel WG D1.64 per tutta la sua durata, coordinando uno dei capitoli della TB e scrivendo direttamente alcuni paragrafi. Come tutte le attività CIGRE, anche questo studio sui dielettrici criogenici si pone come attività pre-normativa, preparando quindi la strada per eventuali progetti normativi futuri di interesse anche per il nostro Comitato nazionale. A dimostrazione dell’interesse per tale attività, a livello internazionale è stata formalizzata una liaison tra il WG D1.64 e il IEC Technical Committee (TC) 90 “Superconductivity”.  

L’isolamento dielettrico è un requisito fondamentale per la sicurezza e l’affidabilità di ogni apparecchiatura elettrica. In ambiente criogenico questo argomento non è stato ancora affrontato con lo stesso livello di dettaglio dell’isolamento a temperatura ambiente e quindi è stato ritenuto opportuno da parte di CIGRE lanciare un nuovo WG su questo tema. Il WG D1.64 si è inserito sulla linea di due precedenti WG dedicati alla superconduttività, rispettivamente il D1.15 (Technical Brochure N.418 di giugno 2010) e il D1.38 (Technical Brochure N.644 di dicembre 2015), affrontando però in modo specifico il progetto dielettrico in un ambiente particolarmente sfidante come quello criogenico. Principalmente il WG ha affrontato le seguenti tematiche:

  • analisi dello stato dell’arte sulla scarica nei solidi, liquidi, gas e nel vuoto (e dei relativi sistemi di isolamento compositi) a temperatura criogenica;
  • principi e meccanismi dei fenomeni di isolamento dielettrico a temperature criogeniche;
  • principali criticità progettuali e di prova per sistemi di isolamento dielettrico di dispositivi superconduttori di potenza, magneti superconduttori e loro componenti operanti a temperature criogeniche.

In particolare, il Presidente e il Segretario del CT 90 sono stati coinvolti nella stesura del Capitolo 5 della TB, intitolato Experiences in design of insulation systems and devices, di cui hanno coordinato i vari contributi degli autori coinvolti e per il quale hanno direttamente partecipato alla scrittura del paragrafo relativo ai dispositivi SFCL. Lo scopo principale del Capitolo 5 è quello di evidenziare le criticità che caratterizzano il progetto dell’isolamento dielettrico dei dispositivi a superconduttore, basandosi non solo sulla teoria, ma portando come esempi anche casi reali. Il primo problema trattato è stato quello dell’isolamento dei nastri superconduttori, in particolare mediante l’utilizzo del Kapton e delle vernici isolanti. Sono stati poi presi in esame i cavi SAT sia in DC che in AC, di cui sono stati riportati i materiali più utilizzati e si è fatto cenno ad alcune formule di dimensionamento dell’isolamento. La trattazione è proseguita con l’analisi della situazione dei dispositivi SFCL e in particolare è stato dato risalto all’influenza sulla tenuta dielettrica delle bolle che si formano all’interno del bagno di azoto liquido in caso di quench. Sono stati infine passati in rassegna alcuni accenni alle criticità tipiche di altri dispositivi SAT come i trasformatori, le macchine rotanti e i magneti superconduttori. La sezione finale del capitolo è stata dedicata alla presentazione di alcuni dei maggiori progetti in corso d’opera (o recentemente conclusi) a livello mondiale e delle relative soluzioni progettuali per l’isolamento dielettrico.

Nel seguito verranno esposti alcuni degli aspetti più rilevanti per descrivere l’attività del CT 90. Il testo è stato diviso in due parti: nella prima verranno descritti i paragrafi relativi ai materiali superconduttori LTS; la seconda sarà invece dedicata all’MgB2 e ai materiali superconduttori SAT.

Dispositivi elettronici superconduttivi

Un importante capitolo delle applicazioni della superconduttività va sotto il nome di Elettronica Superconduttiva. Esso riguarda lo studio e la realizzazione di circuiti elettronici digitali e analogici, sensori e rivelatori di radiazione basati su materiali superconduttori. Tali dispositivi sono realizzati con tecnologie di deposizione e processi di patterning litografici di film sottili simili a quelli utilizzati per la realizzazione di circuiti e microprocessori a semiconduttore dell’elettronica tradizionale.

L’attività del WG 14 consiste appunto nel definire metodi di test specifici, le specifiche, i termini e le definizioni, i simboli grafici propri dei dispositivi utilizzati nell’elettronica superconduttiva.

Numerosissimi sono i dispositivi elettronici superconduttivi. Tra quelli che si possono considerare maturi per applicazioni, e quindi già presenti sul mercato o molto prossimi alla commercializzazione, vi sono:

  • SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)
  • Rivelatori di singolo fotone, quali TES (Transition Edge Sensors) o SSPD (Superconducting Strip Photon Detectors)
  • Logiche RSFQ (Rapid Single Flux Quantum).

Nel panorama internazionale esiste oggi una discreta presenza di piccole e medie imprese produttrici di tali dispositivi.

Lo SQUID è un dispositivo il cui elemento chiave è una giunzione ad effetto Josephson. Nasce come sensore magnetico ultrasensibile per applicazioni in ambito medico nella rivelazione dei debolissimi segnali magnetici generati dal cuore o dal cervello, nelle prospezioni geofisiche, nel monitoraggio alimentare o nel test non-distruttivo in aeronautica. Come amplificatore di segnali elettronici, lo SQUID raggiunge il limite teorico dato dalla Meccanica Quantistica.

Un ulteriore ed importante campo di applicazione dei dispositivi superconduttivi è la rivelazione di debolissimi segnali elettromagnetici ovvero di singoli fotoni (i quanti di luce) fornito da dispositivi come i Transition Edge Sensors (TES), le nanostrip superconduttive (SSPD) o da giunzioni tunnel superconduttive (STJ). Questi rivelatori superconduttivi di radiazione sono in grado di coprire un amplissimo intervallo di frequenze, dalle microonde ai raggi gamma, con grandissima efficienza e sensibilità, velocità di conteggio, precisione e sono attualmente uno standard in campo astrofisico e nella ricerca di materia oscura. Gli SSPD si vanno inoltre solidamente affermando nel campo delle telecomunicazioni quantistiche basate sulla rivelazione di fotoni nell’infrarosso, nel monitoraggio e sicurezza ambientale mediante tecniche LIDAR (LIght Detection And Ranging).

I circuiti elettronici digitali superconduttivi basati su giunzioni Josephson sono un’importante tecnologia che è intrinsecamente più veloce e con una potenza di dissipazione di gran lunga minore rispetto a quella dei circuiti semiconduttivi che sono oggi ampiamente utilizzati nei computer. Il loro utilizzo nell’ambito dei grandi hub per Big Data processing, dove le problematiche dovute a esigenze di crescente miniaturizzazione dei circuiti e minore dissipazione di calore diventano essenziali, rappresenta una delle pochissime alternative concretamente percorribili in futuro.

L’attività recente del WG 14 ha riguardato:

  • Superconducting electronic devices – Generic specification for sensors and detectors. Stesura del documento in cui si definiscono i termini, le definizioni, i simboli grafici dei principali dispositivi elettronici superconduttivi (documento pubblicato).
  • SSPD – dark count rate, ovvero la metodologia di misura del rumore di buio che costituisce una delle figure di merito più importanti di questo tipo di rivelatore. L’attività è attualmente allo stadio di Committee Draft (CD). L’attività è accompagnata da un Round Robin Test (RRT) cui partecipano vari laboratori nel mondo.
  • Normal state resistance and critical current measurement – high-Tc Josephson junctions, ovvero la metodologia di misura della resistenza nello stato normale e della corrente critica in giunzioni Josephson ad alta temperatura critica. L’attività è attualmente allo stadio di Final Draft International Standard (FDIS). L’attività è accompagnata da un RRT cui partecipano vari laboratori nel mondo.

Infine, è opportuno sottolineare che l’avvento delle cosiddette Tecnologie Quantistiche come la computazione quantistica e la crittografia quantistica, oggi al centro di un grandissimo interesse e sviluppo, che vedrà in futuro un ricorso sempre più importante all’elettronica superconduttiva, ragione che spinge molte imprese ad entrare nel settore. Ciò presumibilmente comporterà un maggior lavoro normativo nell’ambito del WG 14.

La normazione per la progettazione e la realizzazione di cavi e magneti superconduttori

Tra i progetti attualmente attivi in Italia che prevedono l’utilizzo della tecnologia a base di materiali superconduttori, uno dei più grandi e ambiziosi è senza dubbio quello del reattore DTT (Divertor Tokamak Test), un progetto tutto italiano da circa 600 milioni di Euro avente come scopo la realizzazione di un reattore a fusione termonucleare controllata.

Il reattore DTT sarà una macchina a confinamento magnetico, ovvero un reattore in cui il plasma sarà confinato mediante campi magnetici molto intensi: fino a 6 T nella zona di plasma e sopra i 13 T nella zona dei magneti. La generazione di campi magnetici così elevati necessita dell’utilizzo di materiali superconduttori, gli unici in grado di assicurare le prestazioni richieste dal reattore.

Attualmente è in corso la fase di approvvigionamento dei fili superconduttori in NbTi e Nb3Sn che saranno utilizzati per la realizzazione dei cavi superconduttori a bassa temperatura critica. Tali cavi saranno l’elemento base con cui si avvolgeranno le bobine di campo per la realizzazione del sistema magnetico di DTT.

Le elevate prestazioni richieste al sistema magnetico, necessarie per ottenere un reattore più vicino possibile al limite tecnologico attuale, si sono tradotte nella necessità non solo di fissare i parametri tecnici relativi ai fili superconduttori a valori più avanzati possibile, ma anche di richiedere margini di tolleranza particolarmente stringenti su questi valori.

È chiaro, dunque, che la fase di controllo delle forniture, con campagne di caratterizzazione volte alla qualifica dei fili superconduttori ricevuti, sia particolarmente importante. In questa fase è di fondamentale importanza chi si siano definiti in maniera univoca e chiara sia i parametri fisici oggetto di qualifica, sia le condizioni operative alle quali vanno misurati i parametri. È, inoltre, fondamentale specificare il metodo di misura del parametro, in modo da minimizzare l’influenza di parametri esterni sulla determinazione del valore oggetto di misura.

Solo per fare un esempio, uno dei parametri fondamentali quando si parla di materiali superconduttori è il valore della corrente critica Ic. Tale parametro è definito come la corrente DC alla quale il filo sviluppa un campo elettrico “critico” che è convenzionalmente fissato ad un valore che va da 0,1 µV/cm a 10 µV/cm. Poiché il valore può essere influenzato da diversi parametri (quali temperatura, campo magnetico applicato, stress meccanico applicato al filo), è necessario definire, oltre al valore di soglia del campo elettrico, il metodo di misura più adatto alla sua determinazione. Questo è esattamente lo scopo delle norme tecniche promulgate dall’IEC, ed in particolare delle Norme della serie IEC 61788 che si occupano della determinazione dei valori di corrente critica nei fili superconduttori compositi a base di NbTi e Nb3Sn.

Le norme tecniche IEC sono uno strumento di fondamentale importanza nella realizzazione di grandi macchine o nel caso di grandi progetti di ricerca (come è il caso di DTT), ovvero, ogni volta che si passa dalla fase di progettazione di un oggetto ad elevato contenuto tecnologico alla sua realizzazione. In questo passaggio è infatti necessaria una definizione chiara ed univoca dei parametri tecnici chiave della fornitura e del loro metodo di misura.

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