99549 - APPLIED SUPERCONDUCTIVITY FOR ENERGY TRANSITION M

Anno Accademico 2023/2024

  • Docente: Marco Breschi
  • Crediti formativi:: 6
  • SSD: ING-IND/31
  • Lingua di insegnamento: Inglese

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso si propone di illustrare i concetti fondamentali relativi alle applicazioni industriali dei materiali superconduttori ai sistemi magnetici, e ai sistemi su larga scala per la transizione energetica nei trasporti e nella rete elettrica. Si introducono i concetti e le proprietà fondamentali che caratterizzano i materiali superconduttori ad alta e bassa temperatura critica. Si trattano i principali problemi tecnologici relativi alla realizzazione di dispositivi superconduttivi, includendo aspetti elettromagnetici, termici (criogenia) e meccanici. Si introducono i principi di fun-zionamento e i criteri progettuali delle principali applicazioni industriali della superconduttività, con particolare riferimento alla tecnologia dei magneti (fusione termonucleare controllata, acceleratori, sistemi per la risonanza magnetica, sistemi per la levitazione magnetica) e ai sistemi elet-trici per l’energia (cavi, macchine elettriche).

Contenuti

Ingegneria dei Magneti

Materiali superconduttori del I e II tipo. Cenni alla storia e alle teorie sulla superconduttività. Superficie critica. Materiali ad alta e bassa temperatura critica. Materiali superconduttori di ultima generazione. Perdite in corrente alternata.

Sistemi per la generazione di campi magnetici: magneti permanenti, elettromagneti resistivi, elettromagneti superconduttori.

Configurazioni geometriche: Elettromagneti solenoidali, toroidali, a sella, racetrack, di tipo Bitter. Disposizioni di magneti permanenti. Halbach arrays.

Tipologie di avvolgimento: elicoidale, pancake, doppio pancake

Conduttori per elettromagneti: Fili e nastri superconduttori a bassa ed alta temperatura critica (Coated conductors, Wire in Channel, …). Cavi piatti di tipo Rutherford, Cable in Conduit Conductors (CICC), conduttori di tipo Roeble. Distribuzione di corrente e magnetizzazione nei cavi superconduttivi.

Stabilità termica: Meccanismi di innesco della transizione da stato superconduttivo a normale (quench). Minimum Quench Energy (MQE). Quench detection e sistemi di protezione.

Cenni a criogenia e tecniche di raffreddamento. Raffreddamento a bagno e per conduzione (cryogen free) di magneti superconduttori.

Risonanza magnetica: principio di funzionamento. Uniformità e intensità del campo e rapporto segnale rumore. Schermatura.

Magneti superconduttori per la Fusione Termonucleare Controllata: Magneti per il campo toroidale. Solenoide centrale. Magneti correttori. Progetto ITER. Sistema magnetico per un tokamak. Sistemi tipo Stellarator.

Magneti per acceleratori di particelle: Progetto LHC del CERN. Armoniche di campo e problematiche di “field quality”. Distorsione del campo dovuta alle correnti persistenti. Dipoli, quadrupoli e magneti correttori. Magneti per rilevatori di particelle.

Cenni ai magneti per campi intensi(superiori ai 30 T).

Applicazioni di Potenza dei Sistemi Superconduttivi

Limitatori di corrente superconduttivi per i sistemi elettrici per l’energia. Limitatori resistivi, induttivi e ibridi.

Sistemi superconduttivi per l’accumulo di energia (SMES): Principio di funzionamento. Criteri di progettazione. Dinamiche di carica e scarica, ripple e sistemi di protezione. SMES a forze bilanciate.

Macchine elettriche rotanti a magneti permanenti superconduttivi: Magnetizzazione in situ o ex situ di bulk superconduttivi. Densità di coppia.

Separazione magnetica: principio di funzionamento. Configurazione a Gradiente aperto o ad alto gradiente. Applicazioni nell’industria mineraria e dell’acciaio.

Sistemi superconduttivi per il riscaldamento a induzione in ambiente industriale.

Metodologie di progettazione dei cavi superconduttori ad alta temperatura critica. Tecniche di vuoto e sistema criogenico.

Levitazione magnetica: Levitazione attiva e passiva. Treni MAGLEV. Cuscinetti magnetici e volani. Stabilità della levitazione.

Testi/Bibliografia

  1. M. Wilson, “Superconducting Magnets”, Clarendon Press Oxford, New York, 1982
  2. Kratz and Wyder, “Principles of pulsed magnet design”, Springer, 2002
  3. G. Krabbes, G. Fuchs, W.-R. Canders, H. May, R. Palka, “High Temperature Superconductor Bulk Materials”, Wiley-VCH, 2006
  4. Y. Iwasa, “Case Studies in Superconducting magnets”, Plenum Press, 1994
  5. Thome and Tarrh, “MHD and Fusion Magnets”, J.Wyley, 1992.
  6. P. Tixador, “Les supraconducteurs”, Hermes, Paris, 1995.

Metodi didattici

I contenuti del corso vengono illustrati durante le lezioni frontali. Nell'ambito del corso, si prevedono tre esercitazioni al calcolatore, mirate all'approfondimento delle metodologie di progettazione dei solenoidi, delle armoniche di campo negli acceleratori di particelle e dell'analisi elettrotermica dei problemi di stabilità (quench) dei magneti superconduttori.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento consta di una prova orale al termine del corso. Non sono previste prove in itinere. Durante la prova orale verranno trattati alcuni degli argomenti svolti durante il corso. La discussione sarà tesa a verificare che lo studente sia in grado di esprimersi con una buona padronanza del linguaggio tecnico ed abbia raggiunto una conoscenza organica delle tematiche sviluppate durante il corso. Sarà inoltre verificata la capacità di utilizzare le conoscenze acquisite per affrontare la soluzione di nuovi problemi. Il grado di soddisfacimento dei requisiti indicati determinerà il voto della prova.

Strumenti a supporto della didattica

Le dispense del corso sono disponibili sul sito Virtuale (virtuale.unibo.it). Su tale sito sono anche disponibili presentazioni utilizzate durante il corso.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Marco Breschi

Consulta il sito web di Antonio Morandi