I cavi utilizzati per la costruzione di magneti superconduttori in applicazioni ad elevato campo magnetico sono costituiti da numerosi strand avvolti in stadi successivi con diversi passi di avvolgimento. Gli strand sono fili conduttori costituiti da un elevato numero di filamenti superconduttivi (alcune centinaia o migliaia) inseriti in una matrice di metallo normale. I filamenti superconduttivi hanno diametri tipici di alcuni micrometri, mentre gli strand hanno un diametro tipico attorno al millimetro.

Strand superconduttivo

Nei cavi piatti di tipo Rutherford, utilizzati nei magneti per acceleratori di particelle, gli strand sono avvolti  con un determinato passo di trasposizione e deformati fino ad avere una sezione rettangolare, come mostrato in figura.  Questi cavi vengono direttamente inseriti in elio liquido per la refrigerazione.

Cavo Rutherford per acceleratori di particelle

Nei cavi di tipo CICC (Cable in Conduit Conductors) utilizzati per i magneti per la fusione termonucleare controllata, gli strand sono avvolti in diversi stadi di avvolgimento e inseriti in un condotto massiccio di alluminio od acciaio. L’elio refrigerante scorre in circolazione forzata all’interno del condotto, bagnando gli strand superconduttivi. Sia nei cavi Rutherford che in quelli di tipo CICC, gli strand vengono trasposti al fine di ridurre le perdite in corrente alternata dovute alla circolazione di correnti indotte durante rampe di campo o di corrente. La trasposizione è tuttavia incompleta, in particolare quando sono presenti forti gradienti longitudinali del campo magnetico applicato al cavo. In presenza di rampe di corrente, necessarie per il funzionamento dei magneti per acceleratori di particelle e per il funzionamento dei magneti da fusione, si generano pertanto correnti indotte.

Cavo CICC per la fusione

La sovrapposizione delle correnti indotte alla corrente di trasporto e gli effetti resistivi dovuti a diverse resistenze degli strand ai giunti determinano una distribuzione di corrente non uniforme tra i diversi strand del cavo, che può causare la transizione dallo stato superconduttivo allo stato normale (quench) di uno strand prima che la corrente complessiva raggiunga il valore della corrente critica teorica del cavo. Questo fenomeno prende il nome di “ramp rate limitation”, essendo particolarmente rilevante durante le rampe di corrente. Un ulteriore fenomeno indesiderato dovuto alla distribuzione non uniforme di corrente è la distorsione del campo magnetico generato dal cavo, che deve essere compensata per un corretto funzionamento dei magneti per acceleratori di particelle.

Lo studio dell’elettrodinamica dei magneti superconduttori è pertanto condizione necessaria per un progetto accurato dei magneti stessi. Per tale studio sono stati predisposti diversi modelli.

Modello tipo “linee di trasmissione”

·        Questo modello circuitale a parametri distribuiti monodimensionale è simile ai modelli utilizzati per lo studio delle linee di trasmissione

·        Questo modello, grazie ad una notevole riduzione del numero di incognite rispetto ai modelli a costanti concentrate solitamente utilizzati, consente di calcolare la distribuzione di corrente in cavi reali costituiti da alcune decine di strand e della lunghezza di decine o centinaia di metri utilizzati per avvolgere i magneti superconduttori. E’ particolarmente adatto alla geometria dei cavi di tipo Rutherford.

·        L’effetto della geometria tridimensionale del cavo e del magnete è tenuto in considerazione nel calcolo dei parametri del modello.

Modello elettromagnetico e termoidraulico THELMA

·        Un ulteriore modello circuitale monodimensionale è stato sviluppato per tenere in conto degli accoppiamenti induttivi di ogni strand del cavo avvolto in un magnete con tutti i tratti di cavo, anche lontani, presenti nell’avvolgimento.  Le equazioni del modello sono tratte dalle equazioni di Maxwell, e consentono lo studio completo di un avvolgimento o di un insieme di avvolgimenti:

·        Tale modello elettromagnetico è stato sviluppato nell’ambito delle ricerche sui magneti per la fusione termonucleare controllata ed è accoppiato con una descrizione della termo-fluido-dinamica dell’elio refrigerante che scorre nei cavi CICC.