In tutte le macchine a confinamento magnetico, i magneti che devono generare il campo magnetico necessario al confinamento, alla stabilità ed al riscaldamento del plasma, vengono realizzate con cavi superconduttori per ridurre la quantità di energia necessaria per la loro energizzazione, che altrimenti, essendo i campi da generare particolarmente elevati in volumi, anch’essi elevati, andrebbe ad incidere pesantemente sul bilancio energetico dell’intero processo. Generalmente vengono utilizzati cavi del tipo CICC (Cable in Conduit Conductor), realizzati a partire da “strand” di NbTi o di Nb₃Sn, stabilizzati con rame. Per il corretto funzionamento di tali magneti, che operano in regime impulsato, è necessario ridurre le perdite a.c. nel cavo ed assicurare che non vengano mai raggiunte le condizioni di “quench”, cioè che non avvenga mai la transizione da superconduttivo a normale del cavo che porterebbe allo spegnimento immediato della macchina per evitare danni permanenti alla stessa. Risulta quindi di grande importanza poter disporre di strumenti di calcolo in grado di simulare il comportamento dei magneti in regime impulsato durante la fase di progetto degli stessi.

I fenomeni che è necessario simulare in un modello di un magnete per FTC sono molteplici. In primo luogo vi sono i fenomeni di origine elettromagnetica che governano la distribuzione della corrente di trasporto tra gli “strand” del cavo superconduttivo e la produzione di calore nel cavo. Di origine elettromagnetica, sono pure i fenomeni che regolano la distribuzione di corrente e la produzione di calore nelle terminazioni e nei giunti tra gli spezzoni di cavo con cui è realizzata la bobina. A questi fenomeni vanno aggiunti i fenomeni di natura termo-idraulica che regolano l’evoluzione della temperatura negli strand del cavo, della temperatura, della pressione e della velocità dell’elio in pressione che raffredda il cavo stesso. I fenomeni di natura elettromagnetica e quelli di natura termoidraulica sono fortemente accoppiati tra di loro a causa  della dipendenza dalla temperatura della relazione di legame tra il campo elettrico e la densità di corrente elettrica del materiale superconduttore e del rame stabilizzante.

Dal 2000 il Laboratorio di Superconduttività Applicata del DIE partecipa ad una attività di ricerca promossa e coordinata dalla European Fusion Developmnent Agreement (EFDA),   che si propone la realizzazione del codice THELMA per il calcolo della distribuzione di corrente, delle perdite a.c e della temperatura, velocità e pressione dell’elio di refrigerazione nei magneti superconduttori di interesse per la FTC. Il codice permette la descrizione completa di una bobina superconduttiva mediante la risoluzione contemporanea delle equazioni del modello elettromagnetico degli spezzoni di cavo, del modello elettromagnetico delle terminazioni e delle giunzioni tra gli spezzoni di cavo e della termoidraulica dell’elio di refrigerazione, e dei solidi presenti nel sistema. Il modello elettromagnetico degli spezzoni di cavo, del tipo circuitale a parametri distribuiti è stato sviluppato dal Dipartimento di Ingegneria Elettrica della Università di Bologna. Il modello elettromagnetico delle terminazioni e delle giunzioni, del tipo circuitale a parametri concentrati per quanto riguarda il cavo e ad elementi finiti per quanto riguarda il materiale conduttore massiccio in cui sono pressate le terminazioni degli spezzoni di cavo, è stato sviluppato dal Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica della Università di Udine. Il modello termoidraulico del flusso dell’elio ed il modello termico di tutti i solidi presenti nel cavo è stato sviluppato dal Dipartimento di Energetica del Politecnico di Torino (www.polito.it). L’attività viene coordinata, oltre che da EFDA, sede di Garching,  dalla Divisione di Superconduttività del Centro Ricerche ENEA di Frascati e si avvale anche della collaborazione del Centro di Superconduttività applicata della Università di Twente, per quanto concernela validazione sperimentale del codice. Il codice THELMA è attualmente nella fase di validazione.

Riferimenti bibliografici:

1.      P.L. Ribani, “CDCABLE. A code to calcolate current distribution in superconducting multi-filamentary cables”, TASK N. TW0-T400-1/01 Deliverable N.8, Report of University of Bologna, May, 2002

2.      M. Breschi, P.L. Ribani, “Measurements of self and mutual induction coefficients of the strands of a multi-strand multi-stage cable and comparison with numerical results”, TASK N. TW1-TMC-CODES, Design and interpretation codes, Report of University of Bologna, October 2002.