Programa de simulación de quench en imanes superconductores

Abstract

El proceso de transición resistiva (quench) puede resultar en la destrucción de los imanes superconductores y resulta necesario hacer un estudio de este proceso al diseñar estos imanes. Sin embargo este proceso es difícil de simular dada la no linealidad de las propiedades de los materiales en las temperaturas a las que suelen operar. Existen algunas soluciones a la simulación de este proceso que utilizan o bien el método de los elementos finitos o el método de velocidades de Wilson. En este proyecto se propone y desarrolla una solución a través del método de las diferencias finitas y utilizando el método de Runge Kutta para la resolución transitoria.

Al ser un software específico para este proceso, permite simular otros procesos además del térmico dentro de una bobina superconductora, como simular varias bobinas que se encuentran en contacto entre ellas, imanes multipolares con acoplamientos magnéticos y sistemas de protección complejos. Para optimizar la simulación se han utilizado interpoladores para el cálculo de propiedades, se ha utilizado una estructura de nodos y enlaces térmicos que minimiza el número de operaciones, se han utilizado propiedades integradas que dan mayor precisión a la hora de realizar cálculos. Además, la propia estructura del programa permite la paralelización del proceso. Además permite la definición de simulaciones, imanes, cables y materiales a través de archivos de texto y que los hace fácilmente configurables.

Este programa resulta muy versátil y más rápido que las soluciones realizadas con modelos de elementos finitos. También resulta más preciso que otros programas que utilizan el método de velocidades de propagación de Wilson. Se ha llegado a un compromiso entre velocidad de cálculo y precisión, desarrollando una herramienta que resulta crucial en el diseño de electroimanes superconductores.

The quench process can result on the destruction of superconducting magnets and therefore needs to be carefully studied when designing these magnets. However, this process is hard to simulate because all the material properties are non linear at the temperatures at which these magnets usually operate. There already exist some solutions to the simulation of this process, normally using the finite element method or the Wilson's propagation speeds method. In this project, the simulation has been performed by the finite differences method, using a Runge Kutta method for transitory solution.

Being an specific software for the simulation of this process, it admits the simulation of other processes different to the thermal problem inside a coil, but also the simulation of multiple coil's thermally connected, multipolar magnets with magnetic coupling and complex protection circuits. The use of interpolators for the property calculation, an structure of thermal joints and nodes that minimizes the number of operations, and the use of integrated properties allow the simulation run faster. The structure of the software also admits the parallelization of the simulation, making it run even faster. The program allows the definition of materials, wires, magnets and simulations from text files, which are easily configured.

This program is very versatile and is faster than the finite element solutions. It also is more precise than other solutions that use the Wilson's speed propagation method. A compromise between calculation speed and precision, developing a tool that is crucial in the design of superconducting magnets.