Study of HTS superconducting magnets with new custom made thermal FEM

This thesis presents the development of a FEM (Finite Element Method) code in MATLAB to simulate the thermal evolution of HTS (High Temperature Superconductor) coils based on REBCO (Rare-Earth Barium Copper Oxide), cooled by liquid nitrogen. The aim is to provide a flexible and accurate tool to model the transient temperature distribution in superconducting magnets, considering their nonlinear thermal properties at cryogenic temperatures. A key innovation is the implementation of a hysteresis-based model for the heat transfer coefficient to simulate the nucleate boiling regime. Three approaches are proposed: No Hysteresis, Node Hysteresis, and Face Hysteresis to solve hysteresis. These models are compared in terms of accuracy and computational efficiency. An experimental campaign was carried out to measure the thermal conductivity of insulated REBCO tape stacks under cryogenic conditions. The collected data were used to improve the reliability and calibration of the FEM simulation. The code was finally applied to two racetrack coil configurations: a wax-impregnated winding and a multilayer HTS-Stainless Steel-HTS coil. The simulation results help to deeply understand the performance of the approaches and the thermal behavior of the HTS coil.

Questa tesi presenta lo sviluppo di un codice FEM (Finite Element Method) in MATLAB per simulare l’evoluzione termica di bobine HTS (High Temperature Superconductor) basate su REBCO (Rare-Earth Barium Copper Oxide), raffreddate con azoto liquido. L’obiettivo è fornire uno strumento flessibile e accurato per modellare la distribuzione transitoria della temperatura nei magneti superconduttori, tenendo conto delle loro proprietà termiche non lineari a temperature criogeniche. Un’innovazione chiave è l’implementazione di un modello del coefficiente di scambio termico basato sull’isteresi, per simulare il regime di ebollizione nucleata. Vengono proposti tre approcci: Senza Isteresi, Isteresi sui Nodi e Isteresi sulle Facce per risolvere l’isteresi. Questi modelli sono confrontati in termini di accuratezza ed efficienza computazionale. È stata condotta una campagna sperimentale per misurare la conducibilità termica di pile di nastro REBCO isolato in condizioni criogeniche. I dati raccolti sono stati utilizzati per migliorare l’affidabilità e la calibrazione della simulazione FEM. Il codice è stato infine applicato a due configurazioni di bobina di tipo racetrack: un avvolgimento impregnato con cera e una bobina multistrato HTS-Stainless Steel-HTS. I risultati della simulazione aiutano a comprendere a fondo le prestazioni degli approcci e il comportamento termico della bobina HTS.