Numerical Analysis of the Electrical Interconnections Between LHC Superconducting Magnets

Magneti e circuiti superconduttivi sono indispensabili per la moderna fisica delle alte energie. Sono infatti richiesti campi magnetici elevatissimi per accelerare, focalizzare, manipolare ed analizzare i fasci di particelle cariche utilizzati per investigare la struttura della materia.
In fase di progettazione è fondamentale uno studio approfondito della stabilità e dei sistemi di protezione che entrano in funzionamento in caso di una transizione dei circuiti al normale stato resistivo. Sono quindi necessari modelli numerici in grado di analizzare dettagliatamente i fenomeni termici, elettromagnetici, fluido-dinamici e meccanici che hanno luogo nei cavi.
Questa tesi è stata svolta presso le strutture del CERN di Ginevra nell’ambito del progetto Large Hadron Collider (LHC), l’acceleratore di particelle più potente mai costruito. Scopo dell’LHC è cercare risposte a questioni ancora irrisolte come l’origine della massa e la possibile unificazione di tutte le interazioni conosciute in un’unica teoria.
Obbiettivi principali della mia ricerca sono stati:
• l’analisi dell’incidente, verificatosi il 19 Settembre 2008 durante un test di alimentazione dei circuiti elettrici dei dipoli superconduttori, che ha danneggiato gran parte dell’acceleratore impedendone la riaccensione per più di un anno;
• l’analisi di stabilità delle interconnessioni tra i magneti dipolari e quadrupolari in funzione della qualità di fabbricazione, delle condizioni di funzionamento e dei parametri che definiscono il sistema di protezione;
• lo studio del meccanismo di scambio termico tra l’interconnessione e l’elio refrigerante, importante ai fini della modellizzazione della transizione dallo stato superconduttivo a quello resistivo.
L’analisi svolta ha permesso di individuare i parametri principali che caratterizzano la stabilità del componente studiato e l’impatto di un loro miglioramento sia in presenza che in assenza di elio refrigerante.
Tali parametri sono:
• la costante di tempo di decadimento della corrente sui circuiti dipolari e quadrupolari τDU M P ;
• il Rapporto di Resistività Residua RRR del rame presente nella matrice del cavo superconduttivo e del rame stabilizzatore;
• la capacità di raffreddamento dell’elio nelle due fasi liquide He I ed He II ed in quella supercritica;
• la distribuzione spaziale delle mancanze di saldatura all’interno delle interconnessioni in prossimità delle splice.
Come era lecito aspettarsi il ruolo principale nell’estrazione di calore è svolto dall’elio refrigerante, il che comporta un maggiore impatto dell’RRR del rame sulla stabilità e rende trascurabili, in caso di quench localizzato sull’interconnessione, gli effetti della riduzione del tempo di scarica della corrente pianificata. Tale riduzione diventa però significativa in caso di mancanza di refrigerante all’interno della “cold mass”, situazione che potrebbe verificarsi in caso di un quench che si propaga dalla zona dei magneti e che in casi estremi può portare alla completa evaporazione dell’elio.