Numerical Analysis of Coupled Thermal-Electromagnetic Problems in Superconducting Cables

I materiali superconduttori, essendo caratterizzati in particolari condizioni da una resistenza elettrica trascurabile, offrono straordinarie prestazioni elettromagnetiche. La ricerca sugli elettromagneti ha ottenuto notevoli vantaggi da questa tecnologia, in quanto le enormi densità di corrente elettrica che questi materiali sopportano possono essere usate per generare campi magnetici estremamente intensi, anche maggiori di 10 T, con delle perdite trascurabili in confronto agli avvolgimenti normoconduttivi. Lo sviluppo della tecnologia dei superconduttori avvenuto negli ultimi anni ha permesso progetti che solo pochi decenni fa erano considerati irrealizzabili, sia dal punto di vista tecnico che economico. Tra questi, i più importanti sono senz’altro i reattori per fusione nucleare come ITER, attualmnente in costruzione a Cadarache (Francia), e acceleratori di particelle per la fisica delle alte energie come il Large Hadron Collider (LHC) del CERN a Ginevra (Svizzera). In questa tesi viene presentato il codice THELMA, un modello numerico per la descrizione accoppiata del comportamento termo-elettromagnetico di cavi e magneti superconduttori. Questo codice era stato inizialmente creato per la simulazione del comportamento elettromagnetico dei cosiddetti Cable-In-Conduit-Conductors (CICC), ampiamente usati in macchine per la fusione nucleare come ITER. Durante l’attività di dottorato, è stato implementato un nuovo modello termico in aggiunta al codice preestitente, in grado di descrivere problemi nei quali l’evoluzione termica del sistema non può essere prevista a priori. Inoltre, il codice è stato esteso per descrivere i cavi di tipo Rutherford, usati comunemente nei magneti per acceleratori di particelle come quelli di LHC. Infine, il codice è stato applicato per l’analisi di diversi casi di studio, sia nell’ambito dei magneti per acceleratori di particelle che per fusione nucleare. La tesi è strutturata nella seguente maniera. I primi due capitoli sono un’ampia introduzione alla superconduttività: il primo è una presentazione generale di questo fenomeno e sulle sue applicazioni, pensata per chi non dovesse avere familiarità con questa tecnologia, mentre il secondo contiene una descrizione più dettagliata dei fili e cavi superconduttori presi in considerazione durante questo dottorato di ricerca. Una descrizione dettagliata del codice numerico THELMA è invece riportata nella seconda parte della tesi. Nel capitolo 3 vengono presentati i modelli geometrici, elettromagnetici e termici, con particolare dettaglio relativamente alle parti sviluppate durante l’attività di dottorato, quali il modello geometrico del cavo Rutherford, il modello termico e l’accoppiamento tra il modello termico e quello elettromagnetico. Il modello di THELMA per le resistenze di contatto elettriche e termiche è invece descritto nel capitolo 4, insieme all’analisi numerica di alcuni misure sperimentali sia su cavi Rutherford che CICC. La terza parte della tesi è invece focalizzata su alcuni esempi di applicazione del codice accoppiato THELMA, svolti durante l’attività di dottorato. Nel capitolo 5 viene analizzata la caratteristica tensione-temperatura di un campione di cavo CICC, quale esempio di validazione sperimentale nella quale il codice è in grado di riprodurre fenomeni di difficile comprensione. Il capitolo 6 presenta il problema della propagazione longitudinale di un’instabilità termo-elettromagnetica in avvolgimenti impregnati di cavi Rutherford, analizzato con strumenti sperimentali, analitici e numerici. Nel capitolo 7 sono invece descritte le analisi predittive in termini di perdite e distribuzione di corrente riguardo il magnete CICC NAFASSY. Ulteriori dettagli riguardanti le proprietà dei materiali e alcuni modelli analitici e numerici sono infine riportati nelle appendici.