Superconduttività per la sostenibilità: un nuovo collegamento superconduttore per l'Alto

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Un criostato flessibile e la prima serie di cavi superconduttori in diboruro di magnesio ad alta temperatura formeranno un'innovativa linea di trasferimento elettrico per alimentare i magneti tripletti interni di HL-LHC

3 marzo 2023

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Di Chetna Krishna

Il Large Hadron Collider (LHC), l'acceleratore di particelle più grande e potente del mondo, è anche la più grande macchina operante oggi al mondo che utilizza la superconduttività. I fasci di protoni all'interno dell'LHC vengono piegati e focalizzati attorno all'anello dell'acceleratore utilizzando elettromagneti superconduttori. Questi elettromagneti sono costruiti da bobine, costituite da cavi di niobio-titanio (Nb-Ti), che devono funzionare a una temperatura più fredda di quella dello spazio per essere superconduttori. Ciò consente alla corrente di fluire senza alcuna resistenza o perdita di energia. L'LHC ad alta luminosità (HL-LHC), un aggiornamento dell'LHC, presenterà per la prima volta innovative linee di trasferimento elettrico note come "Collegamenti superconduttori".

Recentemente, l'impianto di prova dei magneti SM18 del CERN ha assistito alla riuscita integrazione della prima serie di cavi superconduttori al diboruro di magnesio in un nuovo criostato flessibile. Insieme ai cavi superconduttori ad alta temperatura (HTS) al diboruro di magnesio (MgB2), formeranno un'esclusiva linea di trasferimento superconduttrice per alimentare i magneti tripletti interni HL-LHC. Le triplette sono i magneti di focalizzazione che focalizzano il raggio, subito prima delle collisioni, su un diametro stretto di 5 micrometri.

Conosciuto colloquialmente come "pitone", il criostato flessibile, a doppia parete, ondulato comprende 19 cavi superconduttori MgB2 in un unico assemblaggio, intrecciati insieme per formare un fascio compatto. Ciascun cavo MgB2 è lungo circa 140 metri, con un diametro del fascio di circa 90 mm. Insieme, questi 19 cavi superconduttori possono trasferire una corrente continua di circa 120 kA a 25 K (-248 °C), una temperatura superiore a quella alla quale operano i superconduttori convenzionali. Nell'LHC, i cavi niobio-titanio (Nb-Ti) e niobio-stagno (Nb3Sn) funzionano in elio superfluido a 1,9 K (-271,3 °C), una temperatura più fredda dei 2,7 K (-270,5 °C) delle temperature esterne. spazio. I cavi MgB2 del Collegamento Superconduttore sono raffreddati da un flusso forzato di gas elio. "La ricerca e sviluppo svolta nella fase iniziale del progetto LHC ha reso la produzione in corso affidabile e ripetibile", afferma il leader del progetto HL-LHC Oliver Brüning.

Questo nuovo tipo di linea di trasmissione superconduttiva ha anche un potenziale di tecnologia di accelerazione esterna. Queste linee possono trasferire grandi quantità di corrente in un diametro ridotto e potrebbero quindi essere utilizzate per fornire elettricità nelle grandi città o per collegare fonti di energia rinnovabile alle aree popolate. Recentemente, il CERN e Airbus UpNext hanno firmato un accordo di collaborazione per valutare l'uso della trasmissione superconduttiva per i futuri velivoli a basse emissioni.

Ma la novità di questo materiale superconduttore non è l’unico componente segreto per una linea di trasferimento superconduttiva sostenibile.

"Uno dei pregi di questo nuovo sistema è che il funzionamento criogenico del Collegamento Superconduttore avviene a costo zero perché trasferisce il gas elio che comunque serve per raffreddare i conduttori di corrente", spiega Amalia Ballarino, vicepresidente del Gruppo Magneti, Superconduttori e Criostato del CERN. "Quindi, i collegamenti superconduttori agiscono sia come linea di trasferimento dell'elio che come quella elettrica."

La struttura SM18 del CERN continuerà a ospitare l'assemblaggio e il test dei collegamenti superconduttori – dieci in totale per l'HL-LHC – fino alla loro installazione nel tunnel dell'LHC durante il Long Shutdown 3, il cui inizio è previsto nel 2026. L'LHC Superconducting Link entrerà in funzione quest'anno, quando sarà collegato al criostato con i conduttori di corrente HTS REBCO (ossido di bario e rame di terre rare) da un lato e alle connessioni Nb-Ti dall'altro. L'integrazione di queste nuove tecnologie chiave (nuovi cavi superconduttori realizzati in MgB2, criostati flessibili a basso e lungo carico termico statico e cavi di corrente REBCO HTS) segna l'inizio di un approccio sostenibile alla trasmissione elettrica per il futuro degli acceleratori del CERN, a partire dall'HL- LHC.