Niobio-estaño

El niobio-estaño es un compuesto intermetálico de niobio (Nb) y estaño (Sn), utilizado industrialmente como superconductor de tipo II . Este compuesto intermetálico tiene una estructura simple: A3B . Es más caro que el niobio-titanio (NbTi), pero sigue siendo superconductor hasta una densidad de flujo magnético de 30 teslas [T] (300.000 G), ^[1] en comparación con un límite de aproximadamente 15 T para el NbTi.

En 1954 se descubrió que el Nb ₃ Sn era un superconductor. La capacidad del material para soportar altas corrientes y campos magnéticos se descubrió en 1961 y marcó el inicio de la era de las aplicaciones a gran escala de la superconductividad.

La temperatura crítica es de 18,3 kelvin (−254,8 °C; −426,7 °F). Las temperaturas de aplicación suelen rondar los 4,2 K (−268,95 °C; −452,11 °F), el punto de ebullición del helio líquido a presión atmosférica.

En abril de 2008 se afirmó una densidad de corriente récord sin cobre de 2643 A mm ⁻² a 12 T y 4,2 K. ^[2]

En 1954, un año después del descubrimiento del V ₃ Si , el primer ejemplo de un superconductor A ₃ B se descubrió que el Nb ₃ Sn era un superconductor . ^{[3] En 1961 se descubrió que el niobio-estaño todavía exhibe superconductividad a grandes corrientes y campos magnéticos fuertes, convirtiéndose así en el primer material conocido que soporta las altas corrientes y campos necesarios para fabricar imanes útiles de alta potencia y} maquinaria eléctrica . ^{[4] [5]}

Los imanes superconductores del solenoide central y del campo toroidal para el reactor de fusión experimental ITER planificado utilizan niobio-estaño como superconductor. ^[6] La bobina del solenoide central producirá un campo de 13,5 teslas (135 000 G). Las bobinas del campo toroidal funcionarán a un campo máximo de 11,8 T. Se estima que se utilizarán 600 toneladas métricas (590 toneladas largas) de hebras de _Nb3Sn y 250 toneladas métricas de hebras de NbTi . ^{[7] [8]}

En el Gran Colisionador de Hadrones del CERN , se están instalando imanes cuadrupolos extra fuertes (para enfocar los haces) hechos con niobio-estaño en puntos clave del acelerador entre finales de 2018 y principios de 2020. ^[9] El niobio-estaño se había propuesto en 1986 como una alternativa al niobio-titanio , ya que permitía refrigerantes menos complejos que el helio superfluido , ^{[ aclaración necesaria ] [ cita requerida ]} pero esto no se llevó a cabo para evitar retrasos mientras se competía con el entonces planeado Supercolisionador Superconductor liderado por Estados Unidos .

Mecánicamente, el Nb ₃ Sn es extremadamente frágil y, por lo tanto, no se puede estirar fácilmente para formar un alambre, lo cual es necesario para enrollar imanes superconductores . Para superar esto, los fabricantes de alambres suelen estirar alambres compuestos que contienen precursores dúctiles. El proceso de "estaño interno" incluye aleaciones separadas de Nb, Cu y Sn. El proceso de "bronce" contiene Nb en una matriz de bronce de cobre y estaño . Con ambos procesos, el hilo se estira típicamente hasta el tamaño final y se enrolla en un solenoide o cable antes del tratamiento térmico. Es solo durante el tratamiento térmico que el Sn reacciona con el Nb para formar el compuesto de niobio y estaño superconductor quebradizo. ^[10] También se utiliza el proceso de polvo en tubo . ^{[2] [11]}

La sección de alto campo de los imanes de RMN modernos está compuesta de alambre de niobio y estaño.

Dentro de un imán, los cables están sujetos a altas fuerzas de Lorentz , así como a tensiones térmicas durante el enfriamiento. Cualquier tensión en el niobio y estaño provoca una disminución en el rendimiento superconductor del material y puede hacer que el material frágil se fracture. Debido a esto, los cables deben ser lo más rígidos posible. El módulo de Young del niobio y estaño es de alrededor de 140 GPa a temperatura ambiente. Sin embargo, la rigidez cae hasta 50 GPa cuando el material se enfría por debajo de 50 K (−223,2 °C; −369,7 °F). ^[12] Por lo tanto, los ingenieros deben encontrar formas de mejorar la resistencia del material. A menudo se incorporan fibras de refuerzo en los cables compuestos de niobio y estaño para aumentar su rigidez. Los materiales de refuerzo comunes incluyen Inconel , acero inoxidable , molibdeno y tantalio debido a su alta rigidez a temperaturas criogénicas. ^[13] Dado que los coeficientes de expansión térmica de la matriz, la fibra y el niobio y el estaño son todos diferentes, se pueden generar cantidades significativas de deformación después de que el alambre se recoce y se enfría por completo hasta las temperaturas de operación. Esta deformación se conoce como predeformación en el alambre. Dado que cualquier deformación en el niobio y el estaño generalmente disminuye el rendimiento superconductor del material, se debe utilizar una combinación adecuada de materiales para minimizar este valor. La predeformación en un alambre compuesto se puede calcular mediante la fórmula

${\displaystyle \varepsilon _{m}={\frac {V_{c}E_{c}\{{\frac {\Delta L}{L_{c}}}-{\frac {\Delta L}{L_{f}}}\}-\sigma _{cu,y}V_{cu}-\sigma _{bz,y}V_{bz}}{V_{f}E_{f}+V_{c}E_{c}}}.}$

donde ε _m es la pre-deformación, ΔL/L _c y ΔL/L _f son cambios en la longitud debido a la expansión térmica del conducto de niobio y estaño y la fibra de refuerzo respectivamente; V _c , V _f , V _cu y V _bz son las fracciones de volumen del conducto, la fibra, el cobre y el bronce; σ _cu,y y σ _bz,y son las tensiones de fluencia del cobre y el bronce; y E _c y E _f son el módulo de Young del conducto y la fibra. ^[14] Dado que la matriz de cobre y bronce se deforma plásticamente durante el enfriamiento, aplican una tensión constante igual a su tensión de fluencia. Sin embargo, el conducto y la fibra se deforman elásticamente por diseño. Los superconductores comerciales fabricados por el proceso de bronce generalmente tienen un valor de pre-deformación de alrededor del 0,2% al 0,4%. El llamado efecto de deformación provoca una reducción en las propiedades superconductoras de muchos materiales, incluido el niobio y estaño. La deformación crítica, la deformación máxima admisible por encima de la cual se pierde la superconductividad, viene dada por la fórmula

${\displaystyle \varepsilon _{c}=\varepsilon _{co}\{1-{\frac {B}{B_{c2m}}}\}.}$

donde ε _c es la deformación crítica, ε _co es un parámetro dependiente del material igual a 1,5% en tensión (−1,8% en compresión) para el niobio y estaño, B es el campo magnético aplicado y B _c2m es el campo crítico superior máximo del material. ^[15] La deformación en el niobio y estaño causa distorsiones tetragonales en la red cristalina, lo que cambia el espectro de interacción electrón-fonón. Esto es equivalente a un aumento del desorden en la estructura cristalina A15. ^[16] Con una deformación suficientemente alta, alrededor del 1%, el conducto de niobio y estaño desarrollará fracturas y la capacidad de transporte de corriente del cable se dañará irreversiblemente. En la mayoría de las circunstancias, excepto en condiciones de campo alto, el conducto de niobio y estaño se fracturará antes de que se alcance la deformación crítica.

El hafnio o el circonio añadidos al niobio-estaño aumentan la densidad de corriente máxima en un campo magnético. Esto podría permitir su uso a 16 teslas en el futuro colisionador circular del CERN . ^[17]

• Niobio-titanio , más dúctil que el Nb-Sn

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• Superconductores avanzados europeos