Panoramica del progetto
Il Criostato Verticale Cluster D è una facility criogenica a pozzo profondo progettata per il test verticale di grandi magneti superconduttori. Il sistema consente di eseguire test di prestazione a bassa temperatura e misure di campo magnetico in condizioni operative controllate, prima dell’integrazione finale dei magneti nei loro contenitori criogenici.
Il progetto fa parte della Test Facility SM18 del CERN, un’infrastruttura dedicata al test di magneti superconduttori per acceleratori di particelle e alle attività legate all’upgrade High-Luminosity LHC. Ha richiesto lo sviluppo di un sistema complesso che combina precisione meccanica, controllo termico e affidabilità operativa in un ambiente scientifico altamente avanzato.
Ambito di Alca Technology
Alca Technology ha gestito la progettazione, la produzione, l’assemblaggio, il collaudo e la validazione operativa del criostato, con un focus specifico sulla riduzione delle perdite termiche e sull’ottimizzazione delle prestazioni di tenuta criogenica.
Sfida tecnica
Il sistema doveva operare in condizioni criogeniche estremamente impegnative, garantendo stabilità termica, affidabilità meccanica e perdite limitate di elio liquido.
Il criostato ha una profondità operativa di circa 9,3 metri, un diametro utile di circa 0,6 metri e la capacità di ospitare magneti fino a 8 tonnellate di peso. La configurazione criogenica include un sistema a doppio bagno, con elio liquido saturo a 4,5 K nella sezione superiore e un bagno di elio superfluido a 1,9 K nella camera inferiore.
In questo contesto, la gestione delle perdite termiche è stata una delle principali sfide tecniche. Anche deviazioni geometriche minori o inefficienze nell’area di tenuta potevano generare perdite significative di elio liquido, aumentando i costi operativi e riducendo l’efficienza complessiva della facility.
Soluzione Alca Technology
Per soddisfare i requisiti del progetto, Alca Technology ha sviluppato una soluzione di progettazione e produzione focalizzata sulla minimizzazione delle perdite termiche.
Un elemento chiave della soluzione è stato l’anello di tenuta interno del criostato. Per migliorare la qualità geometrica del componente e garantire maggiore precisione durante l’accoppiamento, Alca Technology ha specificato un processo di lavorazione meccanica dedicato per l’anello in tensione. Questo approccio ha consentito un controllo più efficace della planarità della superficie di tenuta, riducendo il rischio di perdite criogeniche e contribuendo all’efficienza complessiva del sistema.
Il requisito di planarità massima accettata per l’anello era di 1,4 mm. La soluzione implementata da Alca Technology ha raggiunto una planarità finale di 0,4 mm, migliorando significativamente il margine rispetto alla specifica richiesta.
Architettura criogenica
Il criostato utilizza una configurazione a bagno Claudet, con elio liquido saturo a 4,5 K nella sezione superiore e raffreddamento della camera inferiore attraverso un bagno di elio superfluido a 1,9 K.
Il sistema di gestione termica è supportato da scambiatori di calore liquido-liquido sottoraffreddati, necessari per mantenere stabile il bagno superfluido. Uno schermo termico a 50 K raffreddato attivamente contribuisce inoltre a limitare i carichi termici provenienti dal collo a temperatura ambiente e dagli inserti magnetici.
Questa architettura consente di testare i magneti superconduttori in condizioni rappresentative del funzionamento reale, garantendo elevata precisione sia nei test criogenici che in quelli magnetici.
Risultati
Il criostato prodotto da Alca Technology ha dimostrato eccellenti prestazioni operative, distinguendosi per la limitata dispersione termica e l’efficiente gestione dell’elio liquido.
Il miglioramento della planarità dell’anello di tenuta, da una tolleranza massima accettata di 1,4 mm a un valore raggiunto di 0,4 mm, ha contribuito in modo significativo alla riduzione delle perdite di elio. Questo risultato ha un impatto diretto sulla sostenibilità operativa della facility, considerando l’elevato costo dell’elio liquido e la necessità di garantire continuità nelle attività di test criogenici.
Rispetto a una soluzione alternativa prodotta da un altro fornitore, il sistema sviluppato da Alca Technology si è dimostrato più efficiente in funzionamento e meno soggetto a problematiche legate alle perdite criogeniche. Il criostato Alca Technology è attualmente la soluzione in uso effettivo, grazie alle sue prestazioni superiori e ai minori costi di gestione.
Punti di forza principali
Il progetto conferma la capacità di Alca Technology di gestire sistemi criogenici complessi durante l’intero ciclo di sviluppo, dalla progettazione e produzione al collaudo e alla validazione operativa. I principali punti di forza del progetto includono lavorazioni meccaniche ad alta precisione, un forte focus sulla riduzione delle perdite termiche, competenza nella gestione dell’elio liquido e la capacità di produrre sistemi speciali per ambienti di ricerca ad alta tecnologia.
