ELETTRODINAMICA DEI SUPERCONDUTTORI, APPLICAZIONE NEI REATTORI NUCLEARI A FUSIONE

This thesis describes superconductivity, an intrinsic characteristic of elements and chemical compounds that significantly influences certain studies in Materials Science. Superconductors exhibit unique properties, such as the Meissner effect—the total or partial expulsion of an applied magnetic field—and near-zero resistivity once the critical temperature is reached. Compounds that exhibit superconductivity have critical temperatures ranging between 5 and 20 Kelvin (K), achievable only by immersion in liquid helium, which is costly and difficult to handle. In 1986, HTS (High-Temperature Superconductors) were studied—compounds whose critical temperatures exceeded 70 K, achievable with liquid nitrogen, which is much cheaper than helium. In the past, various theories attempted to explain the phenomenon of superconductivity. One of the first was BEC (Bose-Einstein Condensation), which was later found to be inaccurate in several aspects. Later, the London brothers explained the electrodynamics of superconductors by comparing them to the hydrodynamics of superfluid helium, utilizing the theoretical considerations of BEC and Drude's electrical transport theory. Although superconductors have been studied for over a century, they remain relevant in efforts to make their production and application more economically accessible. Superconductors are currently used in the development of electromagnets capable of confining plasma in nuclear fusion reactors, taking advantage of their zero resistivity at low temperatures, which allows the creation of magnetic fields close to 18 Tesla (T). Nuclear fusion is a process opposite to fission, as it starts with highly stable light nuclei—Deuterium and Tritium—that are fused to obtain a heavier nucleus, Helium, with the emission of a neutron, both of which are non-radioactive products. By capturing the neutron and utilizing the heat generated by the reaction, energy outputs in the range of hundreds of Megawatts can be achieved. Currently, ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) is under construction in France. This fusion reactor aims to equalize the energy required to ignite the plasma and the energy produced by the reaction. Furthermore, a study reported the damage sustained by HTS superconductors due to neutron irradiation generated by fusion reactions, a factor that tends to degrade the performance and lifespan of such windings.

Questa tesi descrive la superconduttività, caratteristica intrinseca degli elementi e composti chimici che maggiormente influenza alcuni tra gli studi inerenti la Scienza dei Materiali. I superconduttori presentano caratteristiche uniche, quali l’effetto Maißner ovvero l’espulsione totale o parziale di un campo magnetico ad essi applicato ed una resistività prossima a zero una volta raggiunta la temperatura critica. I composti che manifestano superconduttività presentano temperature critiche tra i 5 e i 20 gradi Kelvin (K) raggiungibili solo in immersione in Elio liquido, molto costoso e difficile da maneggiare. Nel 1986 vennero studiati gli HTS, o High Temperature Superconductors, composti le cui temperature critiche superavano i 70 K raggiungibili con Azoto liquido molto meno costoso dell’Elio. In passato vennero elaborate diverse teorie che cercavano di spiegare il fenomeno della superconduttività. Una delle prime fu la BEC, Bose – Einstein Condensation, rivelatasi successivamente inesatta sotto diversi aspetti. Successivamente i fratelli London spiegarono l’elettrodinamica dei superconduttori comparandola a quella dell’idrodinamica dell’elio superfluido avvalendosi delle considerazioni teoriche della BEC e della teoria del trasporto elettrico di Drude. Nonostante i superconduttori siano studiati da oltre un secolo risultano sempre attuali al fine di rendere la loro produzione e applicazione economicamente più accessibile. I superconduttori attualmente trovano impiego nella realizzazione di elettromagneti in grado di confinare il plasma utilizzato nei reattori a fusione nucleare sfruttando la resistività nulla a basse temperature, grazie alla quale si riescono a creare campi magnetici con valori prossimi ai 18 Tesla (T). La fusione nucleare è un processo contrapposto alla fissione, in quanto si parte da nuclei leggeri estremamente stabili, Deuterio e Trizio che vengono fusi per ottenere un nucleo più pesante, Elio, con l’emissione di un neutrone, entrambe prodotti non radioattivi. Grazie alla cattura del neutrone e del calore prodotto dalla reazione si ottengono energie pari a centinaia di MegaWatt. E’ attualmente in costruzione in Francia ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), reattore a fusione il cui obiettivo è quello di pareggiare l’energia necessaria per accendere il plasma stesso e l’energia prodotta dalla reazione. Inoltre, viene riportato uno studio che riguarda i danni subiti dai superconduttori HTS a causa dell’irradiamento di neutroni prodotti dalla reazione di fusione, fattore che tende a degradare la resa e durata di tali avvolgimenti.