Dottorato in FISICA DEGLI ACCELERATORI

Titolo della tesi: IRIS Green Superconducting Line (GSL)

Questa tesi indaga la IRIS Green Superconducting Line (GSL) mediante simulazioni COMSOL e calcoli analitici, con l’obiettivo di caratterizzare il comportamento fisico della linea, il suo consumo energetico e le potenziali applicazioni. La GSL è progettata per il trasposrto di 1 GW (con 25 kV e 40 kA in corrente continua), impiega il diboruro di magnesio (MgB2), scelto per la sua maggiore temperatura critica Tc (che permette il funzionamento con elio gassoso a 20 K e apre alla possibilità di raffreddamento con idrogeno liquido), per la fattibilità della produzione in filo rotondo e per il costo di produzione inferiore rispetto ai tape HTS. L’analisi magnetica mostra campi auto-generati massimi pari a B = 0.58 T nella configurazione a singolo cavo (stazione di prova di Salerno) e B = 0.64 T nella disposizione operativa a doppio cavo; la soglia di sicurezza di 400 mT è rispettata al contorno del criostato per il caso a doppio cavo e a circa 0.5 m dal criostato per il caso a singolo cavo. L’analisi meccanica restituisce uno strain pari a ε ≃ 0.15% per gli strand, inferiore al valore critico εcrit = 0.35%, per cui la corrente critica Ic risulta sostanzialmente non influenzata dalla deformazione calcolata. Lo studio della corrente critica quantifica la tolleranza ai guasti: il cavo sopporta fino a cinque petali completamente rotti mantenendo un margine di corrente per filo ∆I′′ ≈ 120.71 A e un margine di temperatura ∆T = 2.37 K; inotre, il funzionamento è ancora possibile con fino a 78 fili rotti, sebbene con margini molto ridotti (∆I′′ = 1.7 A, ∆T = 0.04 K), il che definisce un limite operativo di danneggiamento. L’analisi della transizione da stato superconduttivo a stato normale (resistivo) evidenzia che la normalizzazione di una piccola porzione di un singolo filo produce una variazione di tensione ai capi dell’ordine di 0.73 nV e che 78 fili transiti producono circa 0.24 μV; tali livelli sono al di sotto della sensibilità tipica dei voltmetri a presa diretta, pertanto la protezione dovrebbe basarsi principalmente sulla rilevazione locale dell’aumento di temperatura. Lo studio del consumo energetico mostra come iil raffreddamento criogenico continuo domini il consumo per tratte lunghe, potenzialmente compensando i risparmi dovuti all’eliminazione delle perdite Joule; nonostante ciò, i vantaggi includono la possibilità di un doppio vettore energetico elettrico/chimico con idrogeno liquido, la capacità di trasportare correnti elevate a bassa tensione, la minore occupazione di suolo e la possibilità di riutilizzare gallerie esistenti con densità di potenza maggiori. La modularità della GSL consente inoltre il ridimensionamento per richieste di potenza minori (ad esempio una configurazione a singolo petalo per circa 2 MW). In sintesi, la IRIS GSL rappresenta una promettente alternativa alle linee HVDC convenzionali per applicazioni che richiedono correnti e potenze molto elevate, laddove siano disponibili infrastrutture criogeniche o dove vincoli ambientali ristretti rendano vantaggioso l’uso di collegamenti superconduttivi.