Quench Protection Heaters FE Analysis and Thermal Conductivity Measurements of Nb3Sn Cables for High-Field Accelerator Magnets

Il Large Hadron Collider (LHC), il più grande e potente acceleratore di particelle del mondo, rappresenta al CERN uno strumento di ricerca per migliorare la comprensione della materia e dell’Universo. A oggi, scienziati e ingegneri di tutto il mondo stanno lavorando duramente per lo sviluppo del suo upgrade, l’High-Luminosity LHC (HL-LHC). Al CERN sono stati progettati magneti superconduttori più potenti, che consentono di aumentare l’intensità di picco del campo magnetico di circa il 50% rispetto ai magneti dell’attuale LHC. Questi magneti permetteranno di aumentare la luminosità integrata dell’HL-LHC – cioè il numero totale di collisioni – di un fattore dieci oltre il valore di progetto dell’LHC, permettendo alla comunità scientifica di studiare in maggiore dettaglio i fenomeni scoperti con l’LHC. A causa dell’alto campo magnetico, tra i 12 T e i 13 T, i magneti utilizzeranno un’innovativa tecnologia superconduttiva basata sull’utilizzo del superconduttore Nb3Sn. In questo scenario, lo studio del sistema di protezione nel caso di quench sta diventano un argomento di notevole interesse. Ciò significa prevenire danni al magnete nel caso di un’improvvisa perdita dello stato superconduttivo e della generazione di calore a essa correlata. In caso di quench, la procedura prevede la disconnessione dell’alimentazione della corrente del magnete e l’utilizzo di elementi riscaldanti, chiamati protection heater. Tali elementi sopprimono lo stato superconduttivo in una grande frazione degli avvolgimenti del magnete e consentono una dissipazione uniforme dell’energia immagazzinata. Nel presente lavoro di tesi viene proposta un’analisi numerica sullo stato dell’arte dei protection heater usati in magneti ad alto campo magnetico per acceleratori di particelle, al fine d’indagare sulle loro prestazioni e valutare nuove prospettive nella protezione di tali magneti. Analisi agli elementi finiti, che simulano lo scambio termico nei magneti tra gli heater e i cavi superconduttori in Nb3Sn, sono state effettuate in COMSOL Multiphysics® al fine di determinare l’efficienza dell’heater tramite la valutazione dell’heater delay, ossia il tempo che intercorre tra l’attivazione dell’heater e l’inizio dello stato resistivo nella bobina. I risultati delle simulazioni sono stati confrontati con le misure sperimentali effettuate sui quadrupoli e dipoli basati su tecnologia Nb3Sn, in sviluppo al CERN per il progetto HiLumi. Il lavoro di tesi è stato anche incentrato sullo studio della conducibilità termica delle bobine impregnate con resina epossidica, al fine di avere una migliore comprensione di questa proprietà termica che svolge un ruolo fondamentale nei fenomeni di scambio termico durante il quench. Infine, un modello agli elementi finiti di un cavo multi-filamento è stato realizzato in COMSOL Multiphysics®, con lo scopo di replicare numericamente la procedura sperimentale utilizzata dal laboratorio Cryolab al CERN per misurare la conducibilità termica di provini di cavi in Nb3Sn di tipo Rutherford impregnati con resina epossidica.