In-Situ Measurement of the Resistivity during Annealing of Neutron Irradiated High-Temperature Superconductors

Die Kernfusion wird seit Jahrzehnten als potenzielle Energiequelle der Zukunft erforscht. Für die in Fusionsreaktoren erforderlichen hohen Magnetfelder bieten Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) gegenüber Tieftemperatur-Supraleitern Vorteile, da sie kompaktere Magnetdesigns ermöglichen. Eine zentrale Herausforderung ist die Degradation von HTS unter Neutronenbestrahlung. Frühere Studien von Unterrainer, Fischer, Lorenz, et al. haben gezeigt, dass die Degradation von neutronenbestrahltem Seltenerd-Barium-Kupferoxid (REBCO) HTS durch thermische Behandlungen teilweise rückgängig gemacht werden kann. Dabei wurde eine lineare Wiederherstellung von T_c sowie eine nicht-monotone Erholung von j_c mit zunehmender Annealingtemperatur beobachtet [1]. Jedoch bleiben die zugrunde liegenden Defektwiederherstellungsprozesse und charakteristischen Temperaturen unklar. Es wird erwartet, dass dieselben Defekte, die die Suprafluiddichte (ρ_s) beeinflussen, auch zum spezifischen Widerstand im Normalzustand (ρ_n) beitragen, wie durch die Matthiessen-Regel und das Homes-Gesetz beschrieben. Ein chemisches Ätzverfahren sowie zwei Generationen von maßgeschneiderten Probenhaltern mit integrierter Messtechnik wurden für die in-situ Wärmebehandlung von REBCO-Supraleitern entwickelt, getestet und erfolgreich eingesetzt. Die Wärmebehandlungen wurden in reiner Sauerstoffumgebung bei Temperaturen zwischen 50 °C und 450 °C durchgeführt. Unbestrahlte Bruker (YBCO)-Proben zeigten das erwartete Widerstandsverhalten, während SuperPower (GdBCO)-Proben zunächst anomale Messkurven aufgrund eines Kurzschlusses zwischen der Silberschicht und dem Substrat aufwiesen, welcher durch eine Anpassung des Ätzmusters behoben werden konnte.Der thermische und schnelle Neutronenfluss wurde im zentralen Bestrahlungsrohr (ZBR) und in einer Bestrahlungsposition außerhalb des Reflektors bei einer Reaktorleistung von 250 kW mittels Neutronenaktivierungsanalyse und γ-Spektroskopie bestimmt. Die berechneten Flusswerte wurden bezüglich der Bestrahlungszeit korrigiert. Für den thermischen Fluss wurde der Neutroneneinfangquerschnitt für die Neutronentemperatur angepasst und eine Positionskorrektur durchgeführt. Dies ergab thermische Neutronenflüsse von Φ_th = 9,51 × 10^16 m^−2 s^−1 (ZBR) und 3,73 × 10^15 m^−2 s^−1 (Position außerhalb des Reflektors). Die schnellen Flusswerte wurde mithilfe der Methode der effektiven Schwellenenergie berechnet, wobei erhebliche Unsicherheiten durch die Wahl der Neutronenabsorptionswirkungsquerschnitte und Schwellenenergien bestehen.Diese Arbeit stellt eine validierte Messplattform bereit und liefert bestmögliche Flussdaten, wodurch die Grundlage für zukünftige quantitative Untersuchungen zur Defektwiederherstellung in bestrahlten REBCO-Supraleitern geschaffen wird.