Modellazione di magneti superconduttori per applicazioni di fusione nucleare. = Modeling of superconducting magnets for nuclear fusion applications.

A partire dalla seconda metà del XX secolo la superconduttività ha aperto nuove prospettive per le applicazioni che richiedono elevati campi magnetici e grande densità di potenza. Attualmente lo scenario energetico mondiale richiede fonti di energia rinnovabili, caratterizzate da ridotto impatto ambientale, e la fusione termonucleare è tra le più promettenti. Per la realizzazione di un reattore a fusione nucleare, la tecnologia dei materiali superconduttori di II tipo è fondamentale per garantire gli elevati campi magnetici, che sono necessari per il confinamento del plasma, con consumo di energia elettrica trascurabile. Questo progetto di tesi si inserisce in questo contesto e prevede un'attività di modellazione di elettromagneti realizzati con superconduttori per reattori a fusione nucleare. Lo studio ha l’obiettivo di simulare, attraverso il software COMSOL Multiphysics®, la distribuzione di campo magnetico e di densità di corrente all’interno del materiale superconduttore che costituisce gli avvolgimenti degli elettromagneti utilizzati nei reattori a fusione. Rispetto allo stato dell’arte delle simulazioni di tali elettromagneti, il contributo innovativo di questo studio consiste nella modellazione della fisica del superconduttore che è indispensabile per determinare i limiti operativi dell’elettromagnete, in particolare, le criticità dovute all’intensità del campo magnetico locale in prossimità del cavo superconduttore e il raggiungimento della densità di corrente critica all’interno del materiale superconduttore. La simulazione prevede l'utilizzo della cosiddetta H-formulation, un modello fisico semiclassico che accoppia le equazioni di Maxwell alle equazioni costitutive del materiale superconduttore, cioè la relazione E(j) (che per i materiali superconduttori può essere approssimata da una legge di potenza). Questo approccio è utilizzato per modellare avvolgimenti costituiti da nastri superconduttivi di seconda generazione (basati sul materiale superconduttore ad alta temperatura di transizione YBCO) e implementata in COMSOL Multiphysics® considerando uno spazio di lavoro 2D con simmetria assiale. Per i parametri del modello, in particolare dell’equazione costitutiva, sono stati utilizzati dati provenienti da misure sperimentali su nastri di seconda generazioni commerciali, mentre le geometrie sono state definite con un grado di complessità crescente in modo da verificare la consistenza dei risultati delle simulazioni con le previsioni teoriche e le misure sperimentali disponibili per quanto riguarda le distribuzioni di campo magnetico e densità di corrente. Partendo da una singola spira di sezione circolare immersa in un campo magnetico uniforme, applicato lungo l’asse di simmetria, si passa per la modellazione di una spira a sezione rettangolare costituita dai materiali che formano il nastro superconduttore (un substrato ferromagnetico, la deposizione di YBCO e un rivestimento metallico), fino ad ottenere la simulazione di solenoidi a singolo e a multistrato con corrente di trasporto.