DEE-54010 Suprajohtavuus sähköverkossa Kryogeniikka Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 1 30.1.2014
Excursio Luvatan tehtaille Poriin Lähtö to 27.2. klo 7:40 TTY Paluu viimeistään klo 16:00 Ilmoittautumiset sähköpostilla 21.2. mennessä 2 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
Cryogenic Temperature Region ER 700 EF 200 EC 100 K 400 Water boils 600 500 100 0 0 300 Water freezes (273.15 K) Cryogenics: 400 300-100 -200-100 200 Superconducting region T < 120 K or 150 C 200 100 0-300 -400-460 -200-273 100 Methane boils Oxygen boils Nitrogen boils CRYOGENIC REGION Hydrogen boils Helium boils 0 Absolute zero Broad Defn 3 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
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 30.1.2014
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 30.1.2014
A few selected examples about applications of CRYOGENICS 6 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
Food Freezing 7 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
Fuel in space applications Year 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 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 30.1.2014
LNG Energy Systems Elba Island, Savannah, GA 9 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
Cooled Infrared Sensors Year 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Military tactical applications Night vision About 140,000 coolers by 2000 since 1970s 0.3 to 1.75 W at 65 80 K 10 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
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 30.1.2014
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 30.1.2014 Cryopump01.cdr
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 30.1.2014
Cancers Skin Cervix (precancerous) Prostate Liver Kidney Lung Brain Breast Cryosurgery Heart arrhythmia 14 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
and Superconductivity 15 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
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 64.5 16 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
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 30.1.2014
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 30.1.2014
Properties of Cryogens Properties of Cryogens Cryogen Triple point (K) Boiling point (K) Critical point (K) Krypton, Kr 115.77 119.73 209.48 Methane, CH 4 90.69 111.67 190.56 Oxygen, O 2 54.36 90.19 154.58 Argon, Ar 83.81 87.30 150.69 Fluorine, F 53.48 85.04 144.41 Carbon monoxide, CO 68.16 81.64 132.86 Air, 0.76N 2 +0.23O 2 +0.01Ar 59.75 78.9 81.7 132.4 Nitrogen, N 2 63.15 77.36 126.19 Neon, Ne 24.56 27.10 44.49 Hydrogen (normal), H 2 13.96 20.39 33.19 Hydrogen (para), H 2 13.80 20.28 32.94 Helium-4, He 4-4.230 5.195 Helium-3, He 3-3.191 3.324 19 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
Typpi Molekyylipaino 28.01 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 1.153 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 0.867 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 77.3 K Jäätymispiste (1 atm) 63.2 K Kriittinen lämpötila 126.3 K Kriittinen paine 2299 kpa Kriittinen tiheys 314.9 kg/m 3 Trippelipiste 63.1 K (12.5 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 199.1 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 1.04 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) 0.741 kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 808.5 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde 696.5 20 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
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 30.1.2014
Kryostaatti terminen eristys 22 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
Neon Molekyylipaino 20.18 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 0.835 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 1.197 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 27.1 K Kriittinen lämpötila 44.65 K Kriittinen paine 2654 kpa Kriittinen tiheys 483 kg/m Trippelipiste 24.55 K Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 86.3 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 1.05 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) 0.636 kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 1207 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde 1445 23 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
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 30.1.2014
Vety Molekyylipaino 2.016 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 0.083 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 11.99 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 20.4 K Jäätymispiste (1 atm) 16.2 K Kriittinen lämpötila 33.19 K Kriittinen paine 1315 kpa Kriittinen tiheys 30.12 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 70.96 kg/m 3 Tiheys (kaasu) kiehumispisteessä 1.331 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde 850.3 25 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
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 30.1.2014
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 30.1.2014
Helium Molekyylipaino 4.00 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 0.165 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 6.061 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 4.22K Jäätymispiste (1 atm) Ei ole Kriittinen lämpötila 5.25 Kriittinen paine 227 kpa Kriittinen tiheys 69.64 kg/m 3 Trippelipiste Ei ole Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 20.28 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 5.19 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) 3.121 kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 124.98 kg/m 3 28 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
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 0.0025 K Kiinteän heliumin rakenne on joko heksagonaalinen tiivis pakkaus (hcp) tai tilakeskeinen kuutio (bcc) 29 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
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 30.1.2014
Economy of the Cryogenic Fluids Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 31 30.1.2014
32 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014
33 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen 30.1.2014