Suprajohtavuus sähköverkossa

Transkriptio

1 DEE Suprajohtavuus sähköverkossa Kryogeniikka Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

2 Excursio Luvatan tehtaille Poriin Lähtö to klo 7:40 TTY Paluu viimeistään klo 16:00 Ilmoittautumiset sähköpostilla mennessä 2 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

3 Cryogenic Temperature Region ER 700 EF 200 EC 100 K 400 Water boils Water freezes ( K) Cryogenics: Superconducting region T < 120 K or 150 C Methane boils Oxygen boils Nitrogen boils CRYOGENIC REGION Hydrogen boils Helium boils 0 Absolute zero Broad Defn 3 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

4 What does CRYO mean? CRYO refers to any temperature equal or less than around 120 K Cryocooler Cryogen Cryogenics Cryostat Cryoconductor Cryonics 4 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

5 Why does T < 120 K deserve its own name? Liquified Natural Gas, LNG, boils at 120 K and 1 bar Liquid Oxygen, LOX, 88 K, 1 bar Liquid Nitrogen, LN 2, 77 K, 1 bar Liquid Air, 55 K, 1 bar Liquid Neon, LNe, 27 K, 1 bar Liquid Hydrogen, LH 2, 20 K, 1 bar Liquid Helium, LHe, 4 K, 1 bar Because widespread, commercial technology is available to maintain these temperatures 5 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

6 A few selected examples about applications of CRYOGENICS 6 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

7 Food Freezing 7 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

8 Fuel in space applications Year Sputnik I Space Shuttle Apollo 11 moon landing Saturn-V Properties: H 2 and O 2 <5% of US O 2 1.8x10 6 kg LOX 5.0x10 4 kg LH 2 8 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

9 LNG Energy Systems Elba Island, Savannah, GA 9 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

10 Cooled Infrared Sensors Year Military tactical applications Night vision About 140,000 coolers by 2000 since 1970s 0.3 to 1.75 W at K 10 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

11 X-Ray Space Telescopes Mission Constellation-X Detect dark matter Test gravitational theory X-rays around black holes Elements in universe Cryocooler technology TES Detectors 0.1 K ADR precooled to 6 K 11 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

12 Cryopumping Used to produce clean vacuum Required for semiconductor processing About 20,000/yr at peak of semiconductor business 60 K 15 K 12 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen Cryopump01.cdr

13 Cryogrinding 290 million scrap tires per year are generated in the U. S. Cryogenic grinding significantly reduces energy required to produce crumb (powdered) rubber (recycling) 13 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

14 Cancers Skin Cervix (precancerous) Prostate Liver Kidney Lung Brain Breast Cryosurgery Heart arrhythmia 14 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

15 and Superconductivity 15 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

16 Copper can also serve as a cryoconductor A ka-m is the amount of conductor needed to carry 1000 A for 1 meter A ka-m of pure electrical copper when operated at J = 100 A / cm 2, T = 298 K (typical undergroud cable) has a mass of 8.9 kg has a volume of 1000 cm 3 has a price of Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

17 Cu as a Cryoconductor (Cont.) Cu performance is also sensitive to temperature Less Cu is needed as temperature declines, the savings about 50 % of the Cu at T = 298 K Cu conductor also costs money Lower operating temperature requires less investment in Cu conductor, but investment insensitive to T below 77 K 17 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

18 Cu as a Cryoconductor (Cont.) Cu ohmic losses decline with temperature Instead of trying to save money by reducing capital cost by increasing current density with decreasing temperature one could try to save money by reducing operating cost by reducing ohmic losses with decreasing temperature HTS RESISTIVITY DECREASES BUT SO DOES THE COOLING EFFICIENCY! NO GOOD! 18 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

19 Properties of Cryogens Properties of Cryogens Cryogen Triple point (K) Boiling point (K) Critical point (K) Krypton, Kr Methane, CH Oxygen, O Argon, Ar Fluorine, F Carbon monoxide, CO Air, 0.76N O Ar Nitrogen, N Neon, Ne Hydrogen (normal), H Hydrogen (para), H Helium-4, He Helium-3, He Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

20 Typpi Molekyylipaino g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 77.3 K Jäätymispiste (1 atm) 63.2 K Kriittinen lämpötila K Kriittinen paine 2299 kpa Kriittinen tiheys kg/m 3 Trippelipiste 63.1 K (12.5 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 1.04 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

21 Typpi (Cont.) Kemiallisesti ei-aktiivinen, räjähtämätön, myrkytön (LN 2 saattaa kondensoitua seokseksi, jossa 50% nestehappea räjähdysvaara) Ilmakehässä n. 78 % (Marsin ilmakehässä 2.6 %). Suojakaasuna (kuivaus- ja hehkutusprosessit), jäähdytysaineena (laserit, infrapunadetektorit), karkaisu (teräs), öljyteollisuus Elintarviketeollisuus! 21 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

22 Kryostaatti terminen eristys 22 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

23 Neon Molekyylipaino g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 27.1 K Kriittinen lämpötila K Kriittinen paine 2654 kpa Kriittinen tiheys 483 kg/m Trippelipiste K Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 86.3 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 1.05 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 1207 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

24 Neon (Cont.) William Ramsat, Morris Travers 1898 Väritön, inertti, harvinainen jalokaasu (ilmakehässä 1.5 promillea) Valmistus: Ilman nesteytys + tislaus Hyvä jäähdytyskapasiteetti (40 x He, 3 x N 2 ) Mainosvalot, korkeajänniteindikaattorit, tyhjöputket, laserit Suprajohtavuus? 24 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

25 Vety Molekyylipaino g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 20.4 K Jäätymispiste (1 atm) 16.2 K Kriittinen lämpötila K Kriittinen paine 1315 kpa Kriittinen tiheys kg/m 3 Trippelipiste 13.95K (0.148 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 446 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 14.34kJ/kgK Ominaislämpö C v (STP) 10.12kJ/kgK Tiheys (neste) kiehumispisteessä kg/m 3 Tiheys (kaasu) kiehumispisteessä kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

26 Vety (Cont.) Kevyin tunnettu alkuaine 90 % maailmankaikkeuden atomeista arvioidaan olevan vetyä Maankuoren massasta 0.76 % (13.5 % maankuoren atomeista) Vety ei ole primäärienergian muoto - höyryrefermointi - termokemiallinen (aurinko!) - sähkökemiallinen - fotolyysi - biokonversio Energiasisältö 120 MJ/kg 26 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

27 Vety -sovelluskohteita Kemian ja petrokemian teollisuus (voiteluöljyjen ja kerosiinin valmistus) Ammoniakin ja synteettisen metanolin valmistus Elintarviketeollisuus (ruokaöljyjen ja margariinin valmistus) Metallurgia (rautaoksidin poistaminen rautamalmista) Sähkö- ja elektroniikkateollisuus (moottorien ja generaattorien jäähdytys, tyhjiöputket, kiteen kasvatusprosessit) 27 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

28 Helium Molekyylipaino 4.00 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 4.22K Jäätymispiste (1 atm) Ei ole Kriittinen lämpötila 5.25 Kriittinen paine 227 kpa Kriittinen tiheys kg/m 3 Trippelipiste Ei ole Höyrystymislämpö kiehumispisteessä kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 5.19 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä kg/m 3 28 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

29 Helium (Cont.) Isotooppi 4 He: Muuttuu kiinteäksi, kun p > 25 MPa Muuttuu supranesteeksi kun T < 2.17 K (höyrynpaineessa) Isotooppi 3 He: Kaksi erilaista supratilaa Muutoslämpötila alle K Kiinteän heliumin rakenne on joko heksagonaalinen tiivis pakkaus (hcp) tai tilakeskeinen kuutio (bcc) 29 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

30 Helium (Cont.) Supraneste: ei kitkaa, ei viskositettia Supratila on kvanttimekaaninen ilmiö, virtausnopeus vorteksiviivan ympäri määrytyy vakiosta h/m Kvantisoidut vorteksit Supranesteiden pyöriminen on epähomogeenista Supranesteen virtaus kiertää kvantisoituja vorteksiviivoja Suprajuoksevuus Suprajohtavuus 30 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

31 Economy of the Cryogenic Fluids Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

32 32 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

33 33 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen