Thermal study of an innovative design for superconducting dipole magnet in MgB2 for energy saving purposes

In the last years, energy consumption has become a very relevant matter, hence energy savings became a central topic in technological research. For particle accelerator development and diffusion, a critical factor is sustainability. This master thesis presents an analysis of a superconducting magnet (MgB_2 solutions) substituting a normal conducting dipole to reduce the power consumption of the large accelerator facilities, focusing on lowering the consumption of the coils, maintaining the same iron yoke. Thermo-mechanic, alongside magnetic properties, is a key factor in the system and its consumed power. Material properties and dimensions heavily influence the linear power density profile of the coils, which depend on the temperature of the material. Therefore, the precise knowledge of the temperature profile on the coils is very important to model the power consumed by the system. Moreover, the goal of this work is to identify a possible choice for the thermal shield position and material, the tie-rods dimension and positions, coil dimensions, the cryocooler model and the current leads power consumption. As results, it was found a convenient set-up having: 1260 total ropes inside the coil winding; copper thermal shield 5 mm thick, equally distant from the iron yoke (25 mm); G10 tie-rods pre-loaded in a longitudinal crossed configuration with 14 mm radius; brass current leads for the hot head (at 60 K) and superconducting ones for the cold head (10 K); two sided cooling using four PT815 Cryomech’s cryocoolers for the coils-thermal shield and two PT805 cryocoolers for the currents leads. This design, depending on the work ratio, can lower the power consumption averaged over a year. With a duty cycle below 53% on the whole year, the power consumption results lower than 30 kW assumed a DC operation mode. Further analyses are suggested, including a more detailed magnetic field analysis and its influence, different material for the magnet and a cost-efficiency analysis.

Negli ultimi anni, il consumo di energia è diventato un tema molto rilevante, pertanto il risparmio energetico è diventato un argomento centrale nella ricerca tecnologica. Per lo sviluppo e la diffusione degli acceleratori di particelle, un fattore critico è la sostenibilità. Questa tesi di laurea presenta un'analisi di un magnete superconduttore (in MgB_2) che sostituisce un dipolo a conduzione normale al fine di ridurre il consumo energetico delle grandi strutture degli acceleratori, concentrandosi sul ridurre il consumo delle bobine mantenendo lo stesso supporto in ferro. Le proprietà termo-meccaniche, insieme alle proprietà magnetiche, sono un fattore chiave nel sistema e nel suo consumo di energia. Le proprietà dei materiali e le dimensioni influenzano pesantemente il profilo di densità di potenza lineare delle bobine, che dipende dalla temperatura del materiale. Pertanto, la conoscenza precisa del profilo di temperatura sulle bobine è molto importante per modellare la potenza consumata dal sistema. Inoltre, l'obiettivo di questo lavoro è identificare una possibile scelta per la posizione e il materiale dello schermo termico, le dimensioni e le posizioni dei tiranti, le dimensioni delle bobine, il modello del cryocooler e il consumo di potenza dei cavi di alimentazione. Come risultato, è stato trovato un set-up conveniente che prevede: 1260 corde totali all'interno dell'avvolgimento della bobina; uno schermo termico di rame spesso 5 mm, equidistante dal supporto in ferro (25 mm); tiranti in G10 pre-caricate in una configurazione longitudinale incrociata con un raggio di 14 mm; cavi di alimentazione in ottone per la testa calda (a 60 K) e superconduttori per la testa fredda (a 10 K); raffreddamento su entrambi i lati con quattro cryocooler PT815 di Cryomech per le bobine-schermo termico e due cryocooler PT805 per i cavi di alimentazione. Questo progetto, a seconda del rapporto di lavoro, può ridurre il consumo energetico mediato su un anno. Con un ciclo di lavoro inferiore al 53% durante tutto l'anno, il consumo energetico risulta inferiore a 30 kW assumendo una modalità di funzionamento in corrente continua. Sono suggerite ulteriori analisi, tra cui un'analisi del campo magnetico più dettagliata e la sua influenza, l'utilizzo di materiali diversi per il magnete e un'analisi di efficienza dei costi.