ANALISI DEI TEST DEL CAVO SUPERCONDUTTORE PER IL SOLENOIDE
CENTRALE DEL PROGETTO ITER
M. Breschi, P. L. Ribani
Dipartimento di Ingegneria dell’Energia Elettrica e dell’Informazione
Università di Bologna
Viale Risorgimento 2, 40136 Bologna
Questa ricerca si inserisce nell’ambito di una consolidata collaborazione di ricerca tra
l’Unità di Bologna e la ITER International Organization. I test del cavo superconduttore in Nb3Sn di
tipo Cable in Conduit per il solenoide centrale del Progetto ITER sono stati eseguiti nel 2014 presso
la facility SULTAN, sita in Villigen, Svizzera, su campioni di cavo rettilinei. In questa
configurazione, il contributo alla deformazione del cavo dovuto alla forza radiale, generalmente
indicato come ‘hoop strain’, è assente. Inoltre, il campo magnetico di fondo generato in questa
facility è limitato a 11 T, mentre il massimo campo di induzione magnetica cui il cavo per il
solenoide centrale sarà sottoposto nelle reali condizioni operative sarà pari a 13 T.
Al fine di studiare il comportamento del cavo in condizioni più simili a quelle operative, è
stato pertanto avviato il progetto denominato ‘CS Insert’ [1], svoltosi sotto la responsabilità della
US Domestic Agency di ITER. Un cavo della lunghezza di circa 43 m, con le stesse caratteristiche
di quello testato in SULTAN, è stato avvolto a formare un solenoide ad un solo strato (CS Insert) ed
inserito nel foro centrale del Central Solenoid Model Coil (CSMC), sito presso i laboratori della
Japanese Domestic Agency a Naka, Giappone. I test si sono svolti nel 2015, alla presenza di un
gruppo internazionale di scienziati e tecnici per coordinare gli esperimenti e definire le procedure di
analisi dei dati sperimentali. Le misure sono state effettuate mediante una strumentazione costituita
da sensori di temperatura, pressione e portata in massa per la valutazione dello stato termofluidodinamico dell’elio supercritico refrigerante e con numerose prese di tensione per valutazioni
relative al campo elettrico sviluppato durante i test. Il contributo dell’Unità di Bologna si è
incentrato sulla valutazione delle perdite indotte in corrente variabile lungo il cavo e sull’analisi del
comportamento dei giunti tra il cavo del CS Insert e i cavi superconduttori utilizzati come adduttori
di corrente, che costituiscono un punto critico di cruciale importanza per i magneti superconduttori.
a)
b)
Fig. 1. a) Schema del solenoide CS Insert realizzato mediante il cavo superconduttore di tipo Cable in Conduit per il
solenoide centrale del Progetto ITER e b) relativa strumentazione con prese di temperature e tensione.
Le perdite per correnti indotte e per isteresi sono state misurate mediante rapide scariche del
magnete esterno, CSMC, a partire da correnti operative di diverso valore (46, 23 e 10 kA) tali da
generare correnti indotte nei fili compositi costituenti il cavo superconduttore del CS Insert. Le
misure di perdita sono state effettuate per via calorimetrica, determinando la variazione di entalpia
dell’elio refrigerante durante gli esperimenti. I calcoli delle perdite nel cavo sono stati effettuati con
il codice THELMA [2] sviluppato presso l’Unità di Bologna, ottenendo un buon accordo con i dati
sperimentali. Il cavo è stato simulato per l’intera lunghezza del CS Insert a livello dei 24 sotto-cavi
una matrice di zeri 30x16 e la sua trasposta 16x30,
del penultimo stadio di cablatura. I risultati ottenuti con THELMA sono stati introdotti in un codice
tra gli di
elementi
termo-fluidodinamico sviluppato presso rappresentanti
il Politecnico l’assenza
di Torino di
per contatto
valutare diretto
l’innalzamento
elettrici
della bus
bar e con
gli elementi
elettrici della sleeve del CSI;
temperatura dell’elio e del cavo e confrontare
i risultati
numerici
quelli sperimentali.
una matricesuperiore
32x32 edcontenente
l’informazione
Le analisi delle resistenze delle terminazioni
inferiore del
CS Insert sonosul
statecontatto
effettuate a partire dai dati sperimentali
mediante
unelementi
metodo elettrici
elettricodelle
basato
misure
di
elettrico
tra gli
due sulle
differenti
guaine.
tensione e un metodo calorimetricoPer
fondato
sulla
variazione
di
entalpia
attraverso
il
giunto
dell’elio
quanto concerne la sottomatrice 32x32, anche in questo caso è
supercritico refrigerante. I risultati sono stati confrontati con un modello circuitale a parametri
stato possibile creare un modello dell’insieme sleeve-saddle con un
distribuiti del giunto sviluppato mediante il codice THELMA ed illustrato in Fig. 2a. I parametri del
software
apposito:
Il passaggio
dalla
versione
modello, ed in particolare le conduttanze
trasversali
tra Maxwell-3D.
i diversi sotto-cavi
dovute alla
presenza
del 2D a
quella 3D
è stato
dettato
principalmente
da una maggiore
semplicità
di
giunto, sono stati determinati con l’ausilio
di un
codice
bidimensionale
agli elementi
finiti (Fig.
2b).
Il modello ha consentito di riprodurre
in maniera
accurata idel
risultati
sperimentali,
simulando
utilizzo
dell’interfaccia
codice
3D e da una
maggioreanche
confidenza
l’effetto magneto-resistivo sulla resistenza
di
giunto
dovuto
al
campo
di
induzione
magnetica
di
nella capacità del codice di elaborare una soluzione corretta
al
fondo generato dal magnete CSMC.problema DC imposto.
a)
b)
z [m]
y [m]
x [m]
Fig.
illustrazionedel
delgiunto
modello
dell’insieme
Fig. 2. a) Linee d’asse dei sotto-cavi superconduttori
in 4.8:
corrispondenza
inferiore
del CS sleeve-saddle
Insert calcolate
realizzato
con
Maxwell-3D
mediante il codice THELMA e b) modello bidimensionale agli elementi finiti sviluppato per il calcolo delle conduttanze
trasversali.
In Fig. 4.8 è visibile il modello della giunzione realizzato con
Bibliografia
su cui
stata riportata
la mappa deloncampo
[1] N. Martovetsky, “ITER CentralMaxwell-3D,
Solenoid Insert
Test è Results”,
IEEE Transactions
Appliedelettrico
derivante dall’applicazione del potenziale di 1 V a uno dei 16 elementi
Superconductivity, 26, 4, 2016.
[2] M. Breschi, P.L. Ribani, “Electromagnetic Modeling of the Jacket in Cable-in-Conduit Conductors”,
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 18, 1, 2008.
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