La protezione dal quench del dipolo superconduttore MBRD per l’upgrade ad alta luminosità del Large Hadron Collider (HL-LHC)

Lo scopo degli acceleratori di particelle è quello di raggiungere altissime energie per riprodurre le interazioni e le particelle che hanno caratterizzato i primi istanti di vita dell’Universo, immediatamente dopo il Big Bang, e fare luce sui fenomeni ancora incompresi quali la natura della materia oscura, l’asimmetria tra materia e antimateria, ecc. A tal proposito, scienziati provenienti da ogni parte del mondo stanno collaborando per migliorare le prestazioni dell’acceleratore più grande mai realizzato, il Large Hadron Collider (LHC), in un progetto che prende il nome di High-Luminosity LHC. Come suggerisce il nome, l’obiettivo è quello di incrementare la luminosità dell’acceleratore, consentendo agli esperimenti di raccogliere più dati e aumentando così la probabilità di osservare processi rari come la produzione del bosone di Higgs. Questo ambizioso progetto prevede la sostituzione di alcuni magneti superconduttori in prossimità dei punti d’interazione dei fasci di particelle. Tra questi, la mia attività si è concentrata sui dipoli MBRD (Main Bending Ricombination Dipole), incaricati di ricombinare (separare) i fasci prima (dopo) del punto d’interazione degli esperimenti principali ATLAS e CMS. I nuovi magneti sperimenteranno una serie d’innovazioni che hanno richiesto un piano di sviluppo dedicato, che prevede la costruzione di un modello corto, di un prototipo, e infine dei sei magneti della serie. Un fenomeno di rilevanza per i magneti superconduttori è il quench, definito come una transizione improvvisa e repentina di una porzione del cavo dallo stato superconduttivo allo stato normale. Considerando che le correnti che attraversano un cavo superconduttore sono dell’ordine delle decine di migliaia di Ampere, la porzione transita allo stato normale subisce un brusco innalzamento di temperatura per effetto Joule che potrebbe portare a un danneggiamento delle sue proprietà di trasporto. Lo studio del quench è quindi fondamentale per preservare le bobine da danni permanenti, adottando dei sistemi di protezione in grado di garantire l’integrità del magnete. Poiché una formulazione esatta del problema del quench produce complicate equazioni differenziali non lineari, che possono essere risolte solo numericamente, ci si affianca spesso a potenti strumenti di calcolo ed elaborazione dati. I due software utilizzati nella collaborazione INFN-CERN per la simulazione del quench nei magneti superconduttori sono ROXIE e LEDET. Entrambi sviluppati internamente dal CERN, forniscono un essenziale strumento per la simulazione dei fenomeni indotti nel magnete in caso di un aumento improvviso di temperatura. Lo scopo è quello di creare dei modelli affidabili, che simulino il comportamento di un magnete sotto determinate condizioni, in grado quindi di fornire delle previsioni accurate già in fase di progettazione. In questo modo si offre la possibilità d’intervenire sulla struttura prima che venga realizzata, studiando design alternativi a quello proposto nel caso in cui non sia ottimale. Nell’elaborato verrà descritta l’ottimizzazione effettuata sui modelli del sistema di protezione del magnete MBRD, in ROXIE e in LEDET, sfruttando come riferimento le misure di quench eseguite al CERN sul modello corto MBRDS1 del magnete MBRD. Infine verrà simulato il comportamento del prototipo MBRDP1, i cui test sperimentali, previsti per l’anno in corso, forniranno un indice sulla bontà di quanto implementato. Nell’ultimo capitolo saranno riportati i principali step costruttivi del magnete MBRD svolti presso ASG Superconductors, un’azienda genovese che è tra i leader mondiali nella costruzione di magneti superconduttori.