ELETTRONICA/ Problemi di cortocircuito? Ci pensa il limitatore di corrente superconduttivo

Il fenomeno della superconduttività, la cui scoperta risale ai primi anni del Novecento, si deve alla scoperta di Heike Kamerlingh Onnes. L’articolo di SERGIO MUSAZZI

09.09.2015 - Sergio Musazzi
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Il limitatore di corrente RSE installato in rete

Era il 1911 quando Heike Kamerlingh Onnes, che svolgeva la propria attività di ricerca presso i laboratori dell’Università di Leida in Olanda, si accorse con stupore che la resistenza elettrica del campione di mercurio che stava esaminando scompariva improvvisamente quando il materiale veniva raffreddato a una temperatura prossima a quella dell’elio liquido (-269 gradi centigradi). Lo stesso fenomeno, scoprì in seguito, si verificava anche nello stagno e nel piombo. Anche se involontariamente, Onnes aveva fatto una delle più importanti scoperte del secolo scorso: il fenomeno della superconduttività.

Per capire in cosa consiste questo stravagante comportamento della materia, occorre ricordare che tutti i metalli, anche quelli con un’ottima conducibilità elettrica – come l’oro, l’argento e il rame – tendono comunque a frenare il passaggio della corrente e quindi a dissipare energia sotto forma di calore (in termini tecnici si dice che hanno una certa “resistenza” elettrica). Le cause di questo comportamento vanno ricercate nelle imperfezioni del reticolo cristallino e nelle impurezze presenti nel solido che costringono gli elettroni della corrente elettrica a deviare dalla loro direzione di moto. 

Nei materiali superconduttori, al contrario, abbassando la temperatura sotto un determinato valore (detto “Temperatura Critica”) prossimo allo zero assoluto, avviene una transizione verso un nuovo stato fisico in cui gli elettroni possono muoversi liberamente nel materiale senza perdite di energia. Chiudendo su se stesso un avvolgimento superconduttore, ad esempio, la corrente elettrica – dopo essere stata iniettata – può circolare indefinitamente senza bisogno di alcuna alimentazione esterna e quindi senza alcun consumo di energia. La prima spiegazione di questo fenomeno, nota come “Teoria BCS” (dalle iniziali dei suoi scopritori: J. Bardeen, L.N. Cooper e J.R. Schrieffer) venne formulata nel 1957. Essa sfrutta un modello, detto “a due fluidi”, che prevede nei superconduttori oltre alla presenza dei normali elettroni anche l’esistenza di particolari “superelettroni” (coppie di elettroni con spin opposto) capaci di muoversi nel materiale senza urtare gli ioni del reticolo cristallino e perciò senza dissipazioni. 

Per le straordinarie proprietà di cui godono, i materiali superconduttori sono stati (e lo sono ancora) oggetto di indagine da parte di numerosi gruppi di ricerca. Va tuttavia sottolineato che, oltre alla ricerca di base, sono molteplici oggi gli studi riguardanti le possibili applicazioni dei superconduttori in ambito scientifico e tecnologico. Una delle più importanti, soprattutto in ambito industriale, riguarda i cosiddetti “limitatori di corrente superconduttivi” (noti con l’acronimo SFCL – Superconducting Fault Current Limiter), che sono utilizzati nelle reti elettriche per limitare i danni provocati da un eventuale corto circuito. 

Il loro principio di funzionamento è piuttosto semplice. Il dispositivo SFCL viene posto in serie alla linea elettrica da proteggere. In caso di corto circuito, la corrente che percorre il filo superconduttore aumenta improvvisamente raggiungendo un valore critico oltre al quale il materiale subisce una transizione di fase che comporta la perdita istantanea delle sue caratteristiche di superconduttività. In questo modo, in tempi molto brevi, viene introdotta nel circuito un’elevata impedenza elettrica che consente di limitare drasticamente l’intensità della corrente circolante. 

In Italia il primo prototipo funzionante di SFCL è stato sviluppato nei laboratori di superconduttività di RSE (Ricerca sul Sistema Energetico), un centro di ricerca situato nell’area milanese, le cui attività sono finalizzate all’innovazione e al miglioramento delle prestazioni del sistema elettrico. Il dispositivo messo a punto dai ricercatori di RSE è un limitatore di corrente di tipo resistivo basato su nastri Superconduttori ad Alta temperatura (SAt), così chiamati perché caratterizzati da una Temperatura Critica (quella dell’azoto  liquido, attorno ai -200 °C) più alta di quella dei superconduttori tradizionali. Dopo la fase di sviluppo e di test di laboratorio, il prototipo è stato installato e sperimentato nella rete di distribuzione a 9 kV di Milano (all’interno della Sottostazione S. Dionigi di A2A Reti Elettriche). 

Per questa particolare applicazione, ogni fase del dispositivo SFCL è stata collegata in parallelo a un reattore in aria che, in condizioni normali d’impiego, viene cortocircuitato dal nastro superconduttore e quindi non è percorso da corrente. In caso di guasto, il materiale superconduttore perde le sue proprietà e quindi la corrente di rete inizia a fluire anche nel reattore, che la dissipa sottoforma di calore, contribuendo così a limitarne l’intensità.

Il dispositivo SFCL operante a Milano è in funzione ininterrottamente ormai da tre anni e, come ha sottolineato l’AD di RSE Stefano Besseghini, rappresenta un esempio della capacità di una struttura di ricerca come RSE di portare a uno stato applicativo dei percorsi di studio e di sviluppo di prototipi che, per la prima volta in Italia, sono stati installati su una rete a Media Tensione.

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