Obtenció i optimització de ceràmiques superconductores de YBCO per l'aplicació de limitació de corrent

Abstract

Aquesta tesi doctoral estudia la utilització de ceràmiques texturades monodomini de YBCO per l'aplicació de limitació de corrent. A la xarxa elèctrica hi ha curtcircuïts degut al creuament d'una o més línies. Aquests curtcicuïts representen un problema, no sol·lucionat, de cara a la interconnexió i a l'equipament de la xarxa elèctrica. Els limitadors de corrents amb superconductors es basen en l'abrupte transició entre l'estat superconductor i l'estat "nomal" d'aquests materials quan es supera el corrent crític (Jc). D'aquesta manera un limitador de corrent és transparent a la xarxa elèctrica i quan hi ha un curtciruït afegeix una alta impedància a la línia de manera que es limita el corrent de curtcircuït. D'entre tots els materials proposats per la limitació de corrent, el YBCO és el que té millors prestacions degut a l'elevat Jc d'aquest material. En el cas dels materials ceràmics, que des del punt de vista econòmic resulten favorables, degut a la baixa conductivitat tèrmica i l'elevada corrent crítica, apareix una problemàtica degut a la transició localitzada en un petit volum del material. La zona de material transitada és petita (~mm3) i absorveix tota l'energia associada al curtcircuït de manera que el material es deteriora o destrueix. L'objectiu d'aquesta tesi ha estat l'optimització d'aquestes ceràmiques i solucionar la problemàtica de la transició localitzada (punt calent). Disminuïnt Jc a l'hora que s'augmenta la resistivitat en l'estat normal (ro), es manté la potencialitat del material i s'aconsegueix augmentar el volum de material transitat fins al 100%. Per tal de disminuir Jc sense afegir una inhomogeneïtat al material s'ha seguit dues estratègies: el dopatge amb ions metàl·lics i el control del contingut d'oxígen del material. El dopatge amb ions metàl·lics (Mg, Zn i Ni entre d'altres) destrueix localment el paràmetre d'ordre superconductor. El resultat d'aquest efecte és el de la disminució de Jc. En aquest treball s'ha optimitzat el procés d'obtenció de les ceràmiques texturades dopades amb ions metàl·lics de cara a reduir Jc. Gràcies a aquesta disminució controlada, s'ha aconseguit transitar el 100 % del material superconductor arribant a valors de camp elèctric de l'ordre de 2100 V/m quan en el cas del material amb alta Jc era de l'ordre de 500 V/m. Tot i aixó, no es va observar un augment de "ro" en dopar el material amb ions metàl·lics, per aixó es utilizar la segona estratègia: control del contigut d'oxígen del material. El control del contingut d'oxígen en el material, mitjançant el tractament tèrmic adequat, permet sintonitzar Jc el valor dessitjat i a l'hora es produeix un fort augment en la rho. El valor de "ro" en el cas del material amb alta J-sub c és de l'ordre de 10 m-Omega-cm, per les mostres dopades amb ions metàl·lics no augmenta i es manté en el mateix valor. En el cas de les ceràmiques amb el contingut d'oxígen controlat la "ro" és de l'ordre de 40 m-Omega-cm. Gràcies a aquest valor de resistivitat i a la disminució de Jc, que porta a una transició del 100 % del volum del material, s'aconsegueixen valors de camp elèctric de l'ordre de 4850 V/m. En conclusió controlant el valor de Jc s'ha aconseguit augmentar les prestacions del material en un factor 4 per les mostres dopades, i gràcies a l'elevat valor de "ro" de les mostres amb l'oxigen controlat s'arriba a un augment de fins a ~10 vegades de les prestacions del material.