Süperiletkenliğin Tanımı

11 Süperiletkenliğin Tanımı

Süperiletkenlik, belirli maddelerin doğru akımı hiçbir direnç ve kayıpsız iletmek için aşırı düşük sıcaklıklara soğutulduklarında, bu maddelerin gösterdikleri özellikleridir Başka bir deyişle sıcaklığın belirli bir değerin altına düşürüldüğü zaman doğru akım ile elektriksel dirençleri sıfır olan malzemelere süperiletken denir

Yüzlerce malzemenin çok düşük sıcaklıklarda süperiletkene dönüştüğü bilinmektedir Hepsi metal olan 27 kimyasal element, atmosfer basıncında, kendi kristalgrafik formlarında süperiletkenlerdir Bunlar arasında yaygın olarak bilinenler Alüminyum, Kalay, Kurşun, Civa, Renyum, Lantan ve Proktantinyum yer alır Bunlara ilave olarak metal, yarıiletken olan 11 kimyasal element düşük ısı ve yüksek basınç altında süperiletkendir Uranyum, Seryum, Silikon ve Selenyumu bunlar arasında sayabiliriz Bizmut kendi kristal-grafik formunda süperiletken olmamasına rağmen, çok düşük sıcaklıklarda düzenli duruma geçerek süperiletken süperiletken haline gelebilir Krom, Manganez, Demir, Kobalt ve Nikel gibi magnetik elementlerin hiçbirinde süperiletkenlik görülmez

Bilinen süperiletkenlerin birçoğu alaşım veya bileşiktir Kendisini oluşturan kimyasal elementler süperiletken olmasa bile bir bileşiğin süperiletken olması mümkündür Örnek olarak gümüş-florid ) ve bir karbon-potasyum bileşiği ( ) verilebilir Kalay-Tellrid ( ) gibi bazı yarı iletken bileşikler uygun bir şekilde yabancı atomlarla yüklenirse süperiletken olabilirler

Süperiletkenliğin iki belirleyici özelliği vardır Maddenin içindeki elektrik akışı, maddenin yapısını oluşturan iyon örgüleriyle çarpışması sonucu engellenir Buna maddenin direnci adı verilir Böyle bir madde süperiletken duruma geldiğinde, bu direnç sıfıra iner Süperiletken durumda maddenin örgüsü, elektronları engellemek yerine, onların hareketine destek olur Bunun uygulamadaki anlamı süperiletken bir devrede elektrik akımının ilke olarak kayıpsız akacağıdır

Süperiletkenlerin sıfır direnç göstermelerinin yanı sıra yakınlarında bulunan herhangi bir manyetik alanı dışlamaları da ayırdedici bir özellikleridir Örneğin bir mıknatıs kritik sıcaklığın (süperiletkenliğe geçiş sıcaklığı) altında bulunan bir süperiletkeni sanki ters kutuplu bir mıknatısmış gibi iter Ancak kritik sıcaklığının üstünde aynı süperiletken madde herhangi (mıknatıs olmayan) bir iletken gibi davranır Yani mıknatısın süperiletken üzerinde bir etkisi gözükmez

Elektrik iletimiyle ilgili tüm uygulamalar için idealdirler Bunun yanı sıra süperiletkenler büyük miktarda akımda taşıyabilirler Küçük süperiletken bobinli mıknatıslar çok fazla enerji tüketmeden güçlü manyetik alanlar yaratabilirler Bu gibi mıknatıslar, manyetik alan sayesinde havada giden trenlerin yapımını sağlayabilirler, hızlandırıcı tünellerde ve nükleer manyetik rezonans tarayıcılarında parçacık saptırıcısı olarak kullanılabilirler Ayrıca elektrik üretiminde kullanılan senkron jeneratörlerde kullanımıyla üretimde verimin artmasına, boyutların küçülmesine neden olurlar

Süperiletkenlik sadece kritik sıcaklık, kritik akım ve kritik magnetik alanda mevcut olur

Bir süperiletken düşük sıcaklıklara soğutulduğunda iki farklı özellik gösterirler; elektrik akımlarına hiçbir dirençleri yoktur, magnetik alanları hariç tutarlar
Sıfır Rezistans:

Aşağıdaki grafik bir süperiletken için tipik bir özdirenç şeklini gösterir Yüksek sıcaklıklarda, sıcaklık soğudukça özdirenç yavaş yavaş düşer Daha sonra aniden, kritik sıcaklık ( ) olarak adlandırılan bir sıcaklıkta, bir anda hemen hemen sıfıra düşer ’nin altında süperiletkendir ve akımlar üzerinden rezistanssız geçer

Bu nasıl mümkündür?

Süperiletkenliğin mikroskobik bir teorisi basit bir ifadeyle aşağıdaki gibidir Bir metali, sert yaylar ile tutturulmuş gibi hareket eden pozitif iyonlar kafesi olarak düşünelim Kafese doğru hareket eden tek elektronlar bir elektrik akımını oluşturur Normal olarak elektronlar birbirlerini püskürtürler ve kafes tarafından saçılırlar, yani hareketlerine karşı koyarlar

Bir elektron kafes içerisindeki pozitif iyonlar yakınından geçerken etkilenir ve kafese doğru yavaş yavaş hareket eder Geçtikten sonra, elektronlar asıl pozisyonlarına hızlıca geri saçılırlar Bazı maddeler ile, iyonlar düşük sıcaklıklara soğutulduklarında, asıl yerlerine hızlı bir şekilde geri saçılmazlar ve geçici pozitif yüklü bir lokal bölge oluştururlar Geçip giden ikinci bir elektron bu pozitif bölgeye doğru etkilenir ve ilk elektronu izler Etkili bir şekilde, iki elektron birlikte hareket eder, ve bir çift olarak iyon kafesi baştan başa geçerler Bir çift olarak hareket ederken dağılmazlar ve kafesten küçük bir rezistansa karşılaşırlar, yani madde sıfır rezistansa sahiptir

Kritik Akım:

Eğer bazı magnetik akı çizgileri ( akımın kendi alanından ve ya dış alandan) içeren bir süperiletkenden akım geçirirseniz, akı çizgileri üzerinde onları akımdan doğru açılarla uzağa iten Lorentz kuvveti olacaktır Eğer akı çizgileri durdurulmazsa, hareketleri ısı üretecek ve enerji kaybolacaktır Bu durumda süperiletken rezistif olarak davranır Tüm uygulanabilir süperiletkenler, akı çizgilerini sabitleyen ve hareketlerini durdurmaya yardım eden yapısal eksiklikler içerir Bu eksiklikler akı çizgilerini, kritik akım olarak adlandırılan kritik bir değere kadar, akımın varlığında sabitleştirir Çoğu kez, kritik akım yoğunluğu, ( akımının süperiletken kesidine bölümüne eşittir), ve hesaplanan kritik akım yoğunluğu ’yi( akımının süperiletkenin toplam kesit alanına bölümüne eşittir) belirtmek yararlıdır

Üç kritik parametre:
Gerçekten, süperiletkenliğin mekanizmasını anlamak gerekli değildir, ancak üç kritik parametre, , ve ’yi hatırlamak önemlidir Bu parametreler, içerisinde bir süperiletkenin çalışabileceği çevrenin sınırlarını tanımlar, yani, ’ye kadar sıcaklıklar, ’ye kadar magnetik alanlar ve ’ye kadar akımlar Ayrıca ’nin, sıcaklığın fonksiyonu olarak ve ’nin alan ve sıcaklığın fonksiyonu olarak değiştiğine dikkat edilmelidir

Süperiletkenliğin Yararları ve Uygulamaları:

Elektrik şebekelerinde- üretim, iletim ve gücün depolanması için, akım hata sınırlaması ve güç kaynak kalitesini düzeltmek, yani generatör, kablolar, transformatörler, SMES, -SMES ve akım hata sınırlayıcılar

Motorlarda- dc ve ac elektrik motorları, tahrik sistemleri

Milde-sürtünmesiz hareket için

Akım yönlendirici için mıknatıs sistemleri, açık sistem MRI, magnetik ayırıcılar, ışın odaklama mıknatısları, çok yüksek alan araştırma mıknatısları

Bu uygulamalardan bazıları için, örneğin FCL, yüksek sıcaklık süperiletkenliğinden doğan teknolojidir Diğerleri için, bakır ve alüminyum iletkenleri kullanan konvansiyonel cihazlara nazaran birçok fayda sunar

Enerji biriktirme- HTS cihazların enerji kayıpları, yüksek verim ve düşük işletme maliyetleri sebebiyle önemli bir derece daha düşüktür

Boyut-HTS cihazları aynı güç oranındaki bakırlı çözüme göre daha küçük ve hafiftir

Akım kapasitesi-HTS maddeleri bakırın sahip olduğundan birkaç kat daha fazla akım kapasitesine sahiptir, örneğin HTS kablolar aynı boyutlardaki bakır bir kabloya göre 5 kat daha fazla güç iletebilir

Çevre-Çevreye daha az enerji kayıpları sayesinde yardıma ek olarak transformatörlerde yağın olmaması ve kablolarda gereksiz magnetik alanları olmamasıyla da yardımcıdır

Yüksek sıcaklık Süperiletkenleri (HTS):

Metalik süperiletkenler bu yüzyılın ilk bölümlerinde keşfedildi ancak yararlı teller 1950 ve 60’lara kadar yapılamadı Bugün bakır temelli olanlarda en çok kullanılan süperiletken teller NbTi ve Nb3Sn’den yapılmıştır Bu maddeler düşük sıcaklık süperiletkenleri (LTS) olarak adlandırılır, çünkü kritik sıcaklıkları 25 K (veya - 248 °C)’nin altındadır 1987’de 30 K civarında süperiletken olan bir seramik bileşiği beklenilmeyecek bir şekilde bulundu Takip eden birkaç yılda, 150 K değerindeki ’e kadar birçok ilgili madde keşfedildi Bu maddeler yüksek sıcaklık süperiletkenleri (HTS) olarak adlandırıldı

HTS maddelerinin keşfindeki heyecanın sebebi LTS için gerekli sıvı helyumun (4,2 K / -269 °C) yerine tercihen sıvı nitrojen (77 K / -196 °C) kullanarak soğutulabilmeleridir Daha önceden, birçok süperiletken güç uygulamaları (örneğin kablo ve transformatörler), sıvı helyumun soğutulması ihtiyacından dolayı çok pahalı ve hacimli bulunmuştur Bununla beraber, sıvı nitrojenle soğutma çok daha ucuzdur ve cryogenic sistemler daha uygundur HTS ile, daha geniş enerji biriktirmeyi sunan süperiletken güç cihazları ve yükselen akım kapasiteleri gerçek olmuştur Tüm HTS maddeleri gibi kafes şekli izolasyon iyonları blokları arasına yerleştirilen bakır-oksijen iyonları düzleminden oluşur Bu süperakımın c ekseni yönüne dikey 2D akısıyla sınırlanması demektir Sonuç olarak HTS maddelerinin elektriksel ve magnetik özellikleri, magnetik ve elektrik alanlara bakışla yönelmelerine duyarlı bir şekilde dayanabilir

12 Süper İletkenliğin Tarihsel Gelişimi:

Süperiletkenlik ilk olarak 1911 yılında Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes tarafından civayı mutlak sıfır (0 °K) civarında soğuduğu zaman elektrik akımına direnç göstermediğini gözlemesiyle keşfedilmiştir Onnes 0 °K sıcaklığına ulaşmak için, civa çubuğunu sıvılaştırmış helyum içine sokmuş ve 42 °K (-268,8 °C )’de civanın süperiletken duruma geçtiğini gözlemiştir

Helyum mutlak sıfır civarında sıvılaştığından bu araştırmalar için çok uygundu Sakıncaları ise çok pahalı olması ve iyi yalıtılmış bir kapta sıkıca kapatılmadığı taktirde hızlı ısınması ve buharlaşmasıdır Ayrıca helyumun sıvılaştırılması pahalı ve büyük miktarda enerji gerektiren bir işlemdir Bütün bu sakıncalar süperiletkenlik konusundaki çalışmaları sınırlamıştır, çünkü başlangıçta süperiletkenliğe ulaşmak için tek yol önce belirli metalleri ve daha sonra belirli bazı metal alaşımlarını sıvı helyum banyosuna sokmak idi Bunun sonucu olarak süpekiletkenliğin pratikte kullanımı,uzun yıllar boyunca, bilinen süperiletkenler ile yapılan elektromıknatıslar ve bunların yarattığı şiddetli magnetik alanlarla çalışan birkaç cihaz ile sınırlı kalmıştır

Süperiletkenlık olayı pratikte defalarca gözlenmesine rağmen teorisinin geliştirilmesi hep geri kalmıştır ilk olarak 1935’de London kardeşler,1950 WLGinsburg ve LDLandan tarafından süpweriletkenlik için başarılı modellemeler yapılmış olmasına rağmen ilk esaslı teori 1957 yılında John Bardeen, Leon Cooper ve JRobert Schrieffer tarafından önerilmiştir ve kurucularının soyadlarının baş harflerinin bir araya getirilmesiyle BCS kuramı olarak anılmaktadır Bu kuramları ile 1972 Nobel Fizik Ödülünü almışlardır

BCS kuramının esası, süperiletkenlerde yük taşıyıcılarının Cooper Çiftleri olarak bilinen zıt momentumlu elektron çiftleri oluşturmasına dayanmaktadır

Normal iletkenlerin atomik yapıları incelendiğinde bunların dış kabuklarında belli sayıda delik ve elektronların bulunduğu görülür, öyle ki dış kabuktaki elektronların kabuğa bağlılığı iç kabuktakiler kadar sıkı değildir Bu nedenle, iletkene bir gerilim uygulandığında, dış kabuktaki elektronlar, diğer atomlardaki boş deliklere doğru hareket eder İşte bu hareket esnasında, bazı elektronlar diğer elektronlarla çarpışarak enerjilerini ısıya dönüştürürler Bilindiği gibi bu olay “elektriksel direnç” olarak adlandırılır Süperiletkenler göz önüne alındığında bunlarda hareketli elektronlar tek tek hareket etmezler, elektron kendisine bir ortak, yani ikinci bir elektron arar Böyle bir ortağın arandığı, metalin yapısını oluşturan kafesin titreşimleri aracılığıyla iletilir Bu sayede aynı yerde olmasalar bile, her zaman birbirine uyan iki elektron bulunabilir Çünkü fizikçilerin “foton” diye adlandırdıkları kafes titreşimleri bilgiyi bir elektrondan diğerine iletmektedir Oluşan Cooper çiftinin elektronları arasındaki bağlantı, birbirinden uzakta olsalar bile, o kadar sağlamdırlar ki, tek başlarına kafes atomlarına çarpmaya yeterli bir enerjileri kalmaz ve elektron çiftleri çarpmadan kafesten sızarlar Ayrıca herhangi bir elektron çifti bozulsa bile, bunlar hemen birleşerek eski konumlarına dönebilmektedirler Bir süperiletkenin akıma karşı direnç gösterememesinin sebebi budur

Ancak sıcaklık oda sıcaklığına yükseldiğinde elektronlar arası çekim kuvvetinin çok küçük değerlere düşmesi sebebiyle normal iletkenlerde elektron çiftleri oluşamamaktadır Bu kuram mutlak sıfır civarındaki süperiletkenliği açıklamada oldukça başarılı olmuştur ki Bordeen’e göre yaklaşık 40°K’e kadar olan sıcaklıktaki süperiletkenlik durumlarını da açıklayabilmektedir

Süperiletkenlik konusundaki çalışmalar hızla devam ederken ortaya çıkan bir özellik çalışmaların bir süre aksamasına yol açmıştır Bu özellik, ilk metal üstün iletkenlerinden olan kurşun, kalay, civa gibi metallerin,büyük magnetik alanlar üretmek amacıyla içlerinden gerekli akımlar geçirildiğinde süperiletkenliklerini kaybetmeleri ve normal iletken durumuna geçmeleridir Bu engeli bilim adamları alaşımlara yönelmiştir ve bu çalışmaların sonucu olarak 1950’lerde yüksek magnetik alanlarda süperiletkenlik özelliğini yitirmeyen Niobyum-kalay ( ) ve Niobyum-titanyum gibi alaşımlar bulunmuştur Özellikle J Künzler 1960’larda ( ) alaşımının tel haline getirilebileceğini bularak, elektrik makinalarında süperiletkenliğin kullanılmasına öncülük etmiştir Bu alaşım Gauss’luk magnetik alanlarda süperiletkenliğini sürdürebilmektedir Alaşımlar içinde kritik sıcaklığın en yüksek olanı 1973’te bulunan (Niobyum-Germanyum) alaşımıdır ve bu alaşım Tc=23°K de süperiletken hale geçebilmektedir
Düşük maliyetli süperiletkenlik umudu 1980’lerde iki önemli buluşla başlamıştır 1983’te IBM’in Zürih Araştırma Laboratuarı fizikçilerinden Karl Alex Müller metal alaşımlarını bir yana bırakıp, seramikler olarak bilinen metal oksitleri incelemeye başlamıştır KA Müller ve arkadaşı Johannes George Bednorz, üç yıl boyunca içindeki elementlerin çeşitlerini ve miktarlarını değiştirerek bir çok metalin oksitlerini inceledi, ancak kritik sıcaklığa yükseltemediler Sonunda 1985’te Baryum-Lantan-Bakır-Oksijen (Ba-La-Cu-O) bileşiğinde 35 °K de süperiletkenlik gözlediler Daha sonra Bell laboratuarlarından Bertam Botlogg ve Robert Cava 38 °Kde süperiletken olan benzer bir bileşik elde ettiler Bu arada Houston Laboratuarı araştırma grubu başkanı olan Paul CW Chuve grubu malzemeleri yüksek basınç altında denemeyi düşünmüşlerdi Bu yolla atmosfer basıncını 10000 katından 12000 katına çıkıldığında 52°K’e kadar süperiletken olan benzer bir bileşik buldular Daha sonra Chu ve grubu IBM bileşiğinin nadir toprak elementi olarak lantanı incelediler Chu’nun eski öğrencisi olan Maw-Kuen lantanı, diğer bir nadir toprak elementi olan yitriyum ile değiştirdi Bunun sonucunda da Wu ve arkadaşları (Ya-Ba-Cu-O )bileşiğinin 93°K de süperiletken olduğunu gözlediler Kısa bir süre sonra tekrarlanan deneyde 98°K’de süperiletken hale geldiğini gözlemlediler

Elde edilen bu sıcaklıkların oda sıcaklığına henüz çok uzak olmasına rağmen, bu sıcaklıklara ulaşmanın sağladığı en önemli üstünlük, bu düşük sıcaklıkları elde etmek için sıvı helyum yerine sıvı azot kullanılmasıdır Sıvı azotun üstünlüğü 77°K’de elde edilmesi ve hem çok ucuz, hem de adi termos şişesinde saklayabilecek kadar uzun ömürlü olmasıdır

Sıcaklık 100°K’in üzerinde birer ikişer arttırılırken ABD’de iki ayrı grup 200°K’in üzerinde süperiletken geliştirdiklerini açıkladılar Wayne State Üniversitesinde Chen, Wenger ve Logothetis 240°K’de süperiletken özelliklerini bildirmişlerdir Bileşiklerine tam olarak açıklamayan Wayne State grubu, süperiletkenin Y-Ba-Cu-O ailesinden, daha önce 90°K kritik sıcaklığının gözlendiği bir oksit Seramik olduğunu belirtmekle yetindiler

Öte yandan, Houston’da 93°K ile ilk yüksek-sıcaklık bileşiğini bulan Chu ve ekibi 225°K’de süperiletkenliğe geçen yeni bir bileşik geliştirdiklerini açıkladılar 225°K (-49°C) henüz oda sıcaklığına çok uzaktı, ancak dünya üzerinde kaydedilen en düşük sıcaklıktan da oldukça yüksekti Tokyo Üniversitesindeki grubun lideri Tonako yitriyum yerine erbiyum ya da holmiyum gibi toprak elementlerinin kullanılmasıyla daha yüksek kritik akımlara sahip seramiklerin elde edileceği görüşünde idi

Buraya kadar yapılan incelemelerde metal oksitlerin (seramiklerin) süperiletken olabildiklerinin anlaşılmasıyla araştırmaların çok hızlandığı görülmektedir Çünkü böylelikle sıvı azotun kullanılma olasılığı sağlanmış ve bu da büyük kolaylık sağlamıştır Seramiklerin diğer bir üstünlüğü, şiddetli magnetik alanlara dayanabilmeleridir

Seramiklerin bu üstünlüklerinin yanısıra iki önemli sakıncası:
1) Akım taşıma kapasitelerinin çok düşük olması
2) Kırılgan olmaları

Bilim adamları bu sakıncaları gidermek için çeşitli yöntemler geliştirmektedirler Iowa’da, Ames Laboratuarındaki araştırmacılar, yeni süperiletken bileşiklerinden birine bakır ve diğer iletken malzemelerle karıştırdılar ve tel şekline soktular Toshiba firması bu arada ilk kabloyu ürettiğini duyurdu Y-Ba-Cu-O bileşiğinden geliştirilen karbon 94°K’de sıfır dirence ulaşıyordu 0,6mm çaplı çubuklar şeklinde üretilenlerin kritik sıcaklığı 87°Kdi ABD’de Argonne Ulusal Laboratuarında 0,2mm çaplı teller üretmiştir Bu tellerin yüksek alan mıknatısları için uygulama olanağı vardı ancak süperiletkenliğin kaybolduğu düşük akımlarda oldukça kullanışsızdı Akım yoğunluğu sınırı, Toshiba firması için 6 , Argonne’da üretilen için ise 5 idi, bu yoğunluk pratik kullanım için yeterli değildi Bu arada Yorktown’daki IBM laboratuarı, Y-Ba-Cu-O bileşiği kullanarak 400 nanometre kalınlığında kullanıldığında süperiletken film ürettiğini duyurdu Bu yüksek akım taşıma kapasiteli tek kristalli ince filmlerin akımın kristal içinde belli bir yönde diğer yöndekilerden daha iyi taşınması özelliğine sahip olduğunun anlaşılması ile bilim adamları bu filmlerin sıvı azot sıcaklığına kadar soğutarak 100000 ’lik akım yoğunluğuna ulaştılar Bu süperiletken filmler, sıvı helyum sıcaklığına kadar soğutulduğu zaman 5 milyon akımını ilettiler Japon elektronik Teknolojisi Genel Araştırma Enstitüsü, 300°K (-27 °C)’de süperiletkenliğe ulaştığını bildiriyor, ayrıca Sumitomo Elektrik , Hoston Üniversitesi ve Yeni Delhi Ulusal Fizik Laboratuarlarının üçü de 0°C’nin üzerinde süperiletkenliğe ulaştıklarını iddia ediyorlar

Çalışmalar hızla sürerek, oda sıcaklığında süperiletken elde edilmeye çalışılmaktadır

Bugünün yüksek-sıcaklık süperiletkenleri laboratuarların dışına ve satış alanlarına taşındı Bizmut temelli bileşikler, elektrik güç kullanım için gerekli süperiletken tel ve bobinlerde uygulanmıştır Talyum ve yitriyum temelli bileşikler elektronik cihazlarda kulanılan ince tel olarak oluşturulmuşlardır ve süperiletkenlik 21yüzyıla taşındığında elektrik üretilmesi, dağıtılması ve kullanılması yoluyla, motorlar generatörleri hata-akım sınırlayıcılar, enerji depo sistemleri ve güç kabloları sonsuza dek değişmeye umut vericidir

TARİHÇE
1911HKamerlingh Onnes (1913’TE Nobel Ödülü)Tarafından süperiletkenlik olarak adlandırılan fiziksel özelliğin keşfi 1933 WMeissner ve ROchsenfeldtarafından süperiletkenlerde kusursuz diamagnetizmanın keşfi 1957 JBardee, LNCooper ve JR Schrieffer (1972’de Nobel ödülü) tarafından süperiletkenliğin ilk fenomen tanımı gelişmesi 1986 KAMuller veJGBednorz (1987’de Nobel ödülü)tararafından yüksek sıcaklıklarda süperiletken olan yeni bir sınıf maddenin keşfi 1987 PChu ve MKuev Wu tarafından 1-2-3 bileşikleri olarak bildirilen yeni bir seramik bileşimi YBs2Cu3O7- keşfi Soğutma sıcaklığı 4K’den 77K
2 SÜPERİLETKEN KABLOLAR

21 Kablo Gelişimi

1986’daki yüksek sıcaklık süperiletkenleri (HTS) keşfinden sonra, Pirelli basit bileşikler üzerinde araştırma aktivitelerini başlattı ve HTS güç kablo iletim ve dağıtım sistemlerini 1987’de tamamladı İlk bilimsel fizibilite aşaması, ana olarak, bu yeni HTS maddelerini konvansiyonel kablolar için daha önceden mevcut olan standart makinaları kullanarak kablo imalatına izin verebilen pratik tellere dahil eden teknolojileri geliştirmeye yönelmiştir İkinci teknolojik fizibilite evresi 1995’te, Pirelli, mevcut 8 inç boruda yerleştirme için uygun 115 kV, 400 MVA Warm Dielectric kablo tasarımı tamamladığında başladı ve US Electric Power Research Institute (EPRI), US Department of Energy (DOE), ve Pirelli tarafından sponzor edilen bir gelişme programını başlattı 50 m tek faz kablosu, düzenli ek, dışardaki bitirme ve cryogenics sistemi içeren EPRI-DOE kablo sistemi protipi tamamlandı, test edildi ve 1998’de tanımlandı Ek olarak, Avrupadaki elektrik olanakları ve hükümet organizasyonları (EDEF, ENEL, Edison, BMBF) ile gelişme programları 1997’de başladı ve şu anda HTS Cold Dielectric koaksiyel kablo sistemlerini geliştirmeye yöneliyor Üçüncü kulanıma hazır ve güvenilir değerlendirme aşaması 1998’de bir gerçek kamu şebekesinde ilk HTS sistemi olan denemesinde sonuçlanacak yeni bir projeye başladı DOE, EPRI, Detroit Edison ve diğer takım üyeleri ile işbirliği içerisinde, Pirelli, 2001’in ilk yarısında işletmeye girecek Detroit’in elektrik şebekesine tesis edilmek üzere 3 fazlı bir HTS sistemin mühendisliğini yapıyor ve imal ediyor Sistem 3 konvansiyonel 3 faz kablosunun yerini alacaktır

Elektrik güç sistemi için iki temel HTS kablo tasarımı tanımlanır: Warm Dielectric (WD) tasarım ve Cold Dielectric (CD) koaksiyel tasarım

22 Kablo İmalatı:

1996 yılında Pirelli, tamamen HTS iletkenlerine tahsis edilen ilk pilot hat tasarım ve imalatına başladı Arka planda, esnek cryostatın üzerini örten termal izolasyonu aşamasını göstermektedir

Esnek cryostat iç sırada sıkıştırma ve kırıştırma tekniğiyle imal edilir Kablonun elektriksel izolasyonu için diğer bir teknik, iletken üzerinde dielektrik maddenin kaplanmasıdır Resim PPL ile izole edilmiş HTS kablo üzerinde skidwire uygulamasını göstermektedir

23 Cold Dielectric HTS Kablo Kavramı: CD koaksiyel dizaynında, her bir faz için faz ve dönüş iletkeni olmak üzere iki konsantrik HTS iletkeni kullanılır Bu iletkenler elektrik izolasyonu ile birbirinden ayrılır ve tüm birleşme cryogenic çevrede gerçekleşir CD koaksiyel dizaynı her bir damarın veya biraraya getirilen üç damar üzerinde olabilen cryostat’ın durumuna bağlı olarak iki farklı konfigirasyonu üstlenir CD tasarımı için potansiyel: CD koaksiyel türündeki HTS kabloları muhtemelen konvansiyonel kabloların taşıdığı akımın beş katına kadarını kayıpların hemen hemen üçte ikisiyle taşıyabilir İçinde faz iletkenine eşit ve ters yönde dönüş akımı meydana gelen dış HTS dönüş iletkeni, tamamen faz iletkenindeki akım sayesinde üretilen magnetik alanı korur Böylece, sadece CD damarının etrafındaki magnetik alan hemen hemen sıfıra indirilmemiş, bundan öteye, benzer bir şekilde HTS ekranının varlığı dış magnetik alandan türeyen kayıp etkileri gibi olaylardan sakınmış olur Ömür boyunca işletme masrafları WD dizaynında olanından daha düşüktür, ancak daha çok HTS şerit, dönüş iletkeni için gerektiğinden ilk yatırım maliyeti daha fazladır 24 Warm Dielectric: WD tasarımı için, sadece HTS iletken topluluğu cryogenik çevre ile kuşatılır Elektriksel izolasyon süper iletken damarı kuşatan cryostat üzerinde uygulanır WD tasarımı için potansiyel: WD tasarımı genellikle kanal ve boru içerisinde kurulum veya yerleşim için uygundur WD türü HTS kablo tasarımı konvansiyonel kablo gücünün iki katından fazlasını hemen hemen aynı kayıplarla taşıma potansiyeline sahiptir Genelde, CD tasarımına göre daha fazla HTS şerit gerektirir ve daha fazla elektrik kayıpları sebebiyle ömrü sırasında daha yüksek işletme maliyetlerine sahiptir
1 Benzer performansı vardır ve konvansiyonel boru tip kabloya kıyasla benzer kurulum prosedürleri gerektirir
2 Mevcut, iyice denenmiş dielektrik maddeleri kullanılır
3 Yardımcı elemanlar daha basit tasarımlar olabilir 2
5 Kablo Uygulamaları İçin Pirelli Yüksek Performans HTS Maddeleri Yüksek sıcaklık süper iletkenleri (HTS) şeritleri, bir süper iletken kablo siteminin temel inşa bloğudur Bu elemanlar sürekli uzunluklarda imal edilmelidirler ve kablonun çalışması ve elektrik akımı yoğunluğu transferi için potansiyellerinin yerine getirilmesine bağlı olarak mekaniksel ve elektriksel karakteristiklere sahip olmalıdırlar Kablo Uygulamaları İçin
Gerekli HTS Elemanlar :
1Uzun tekli uzunluklar
2Yüksek taşıma özellikleri: tüm sıcaklık çalışma sırasında kritik akım (Ic) ve hesaplanan kritik akım yoğunluğu (Je)
3Düzgün taşıma özellikleri
4Düzgün boyutlu karakteristikler
5İmalat ve tesis işlemlerine bağlı olarak oda sıcaklığına mekaniki kuvvet
6Soğutma ve kablo ömrü işlemlerine bağlı olarak düşük sıcaklığa mekaniki kuvvet
7Termal döngüler altında stabilite
8Düşük AC kayıplar

/alıntı