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Analisi teorica e sperimentale delle sollecitazioni meccaniche indotte dai fenomeni termoelastici nei nastri superconduttori in dispositivi per la rete elettrica

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Analisi teorica e sperimentale delle sollecitazioni meccaniche indotte dai fenomeni termoelastici nei nastri superconduttori in dispositivi per la rete elettrica

I materiali superconduttori per il loro funzionamento a “resistenza zero” necessitano di essere raffreddati a temperature criogeniche le quali vengono normalmente ottenute attraverso l’immersione in fluidi criogenici all’interno di criostati oppure per conduzione tramite cryocooler. Nastri superconduttori possono essere utilizzati in dispositivi per la rete elettrica, dove vengono assemblati in configurazioni complesse assieme a molti altri materiali con funzioni di supporto, isolamento elettrico, rinforzo e connessione elettrica. In queste condizioni il nastro superconduttore è soggetto a sforzi e conseguenti deformazioni di origine termoelastica da prevedere e valutare correttamente poiché, se questi risultano superiori a limiti predefiniti, causano una rilevante e irreversibile diminuzione della corrente critica del nastro. Tali sforzi e deformazioni devono essere valutati in via sia teorica, mediante modelli numerici, sia sperimentale. In questo rapporto sono riportati i risultati delle attività di sviluppo di modellistica analitica preliminare e di applicazione di metodi sperimentali basati sull’estensimetria.

Nastri Superconduttori ad Alta Temperatura di seconda generazione (2G SAT), a base di ossidi di bario, rame e terre rare, detti comunemente 2G ReBCO CC (Second Generation Rare-earth Barium Copper Oxide Coated Conductors), vengono da tempo proposti per prototipi di limitatori di corrente di corto circuito (SFCL, Superconducting Fault Current Limiters) per le reti elettriche.Tali nastri sono sistemi multistrato costituiti da materiali con diverse proprietà fisiche e meccaniche. Una volta portati alle temperature criogeniche di utilizzo, insorgono sforzi e deformazioni di natura termo-meccanica al loro interno. A tali sforzi e deformazioni sono imputati fenomeni di degrado dei nastri, in particolare la loro delaminazione, responsabile del peggioramento delle loro prestazioni elettriche.Il calcolo teorico di tali stress e deformazioni e la loro misura sperimentale, nel campo della superconduttività applicata, necessitano di un maggior approfondimento rispetto a quanto riportato in letteratura.Il presente lavoro è stato svolto allo scopo di determinarli mediante studi teorici tramite modelli e misure sperimentali preliminari con estensimetri elettrici a resistenza. Il lavoro è da considerarsi quindi come approccio organico allo studio delle problematiche sopra citate.Gli obiettivi raggiunti sono la validazione: a) dei modelli qui introdotti e applicati per la determinazione di sforzi e deformazioni di origine termomeccanica su geometrie elementari e b) della tecnica estensimetrica per la loro misura sperimentale.I dati teorici ricavati sono, per il momento, qualitativi e mettono in luce la prevedibile discontinuità dello sforzo fra i diversi materiali presenti nei nastri superconduttori e quali sono i materiali più soggetti a sforzi termomeccanici. Nel modello non si considera, al momento, la presenza di interfacce fisiche tra i vari strati.I dati sperimentali ottenuti mediante estensimetria sono, al momento, indicativi. Si rende necessaria l’individuazione della corretta metodologia sperimentale per l’ottenimento di risultati più accurati e più precisi.In prima approssimazione, i dati forniti dai modelli numerici sviluppati sono comunque confrontabili con quelli delle misure estensimetriche.Ci si propone, per il futuro, di approfondire entrambi gli approcci per una migliore comprensione dei fenomeni termomeccanici in atto nei nastri superconduttori in condizioni operative a temperature criogeniche e per una loro più precisa determinazione.

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