Väitös

Väitöstutkija kehitti simulointityökaluja korkean lämpötilan hiukkaskiihdytinmagneettien suunnitteluun

Janne Ruuskanen
Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuslaitoksessa CERNissä tutkitaan aineen perusolemusta ja alkeishiukkasten vuorovaikutusta törmäyttämällä lähes valonnopeudella kulkevia hiukkassuihkuja toisiaan vasten. Hiukkasuihkuja pidetään ympyrän muotoisella radalla voimakkaiden sähkömagneettien avulla. Tarkemman tutkimustiedon saamiseksi tulevaisuudessa, törmäysenergiaa halutaan kasvattaa nykyisestä noin 13 jopa 100 teraelektronivolttiin. Tällöin hiukkassuihkuja ohjaavien sähkömagneettien tulee pystyä tuottamaan yli 20 teslan magneettivuon tiheys nykyisen 8 teslan sijaan, jotta hiukkaset saadaan pidettyä radallaan. Tämä voidaan saavuttaa korvaamalla nykyiset matalan lämpötilan suprajohteista valmistetut sähkömagneetit korkean lämpötilan suprajohdemagneeteilla.

DI Janne Ruuskanen tutki Tampereen yliopistossa tarkastettavassa väitöskirjassaan korkean lämpötilan suprajohteiden (HTS) mallintamista ja kehitti simulointityökaluja HTS-magneettien suunnitteluun. Työssään hän on perehtynyt erityisesti näiden magneettien lämpöstabiilisuuden mallintamiseen, missä olennaista on tarkastella lämmöngeneroitumisen ja jäähdytyksen välistä tasapainoa.

Väitöstutkimuksessa kehitettyjä simulointityökaluja voidaan hyödyntää tulevaisuuden HTS-kiihdytinmagneettien suunnittelussa varmistamaan niiden stabiili toiminta.

Korkean lämpötilan suprajohteista valmistetut sähkömagneetit pystyvät tuottamaan huomattavasti suurempia magneettikenttiä kuin matalan lämpötilan suprajohteista (LTS) valmistetut magneetit. HTSien käyttöä ovat pitkään rajoittaneet korkeat valmistuskustannukset. Lisäksi, niiden sähkömagneettista ja mekaanista käyttäytymistä ei vielä täysin pystytä ennustamaan, mikä tekee laitteiden suunnittelusta erityisen hankalaa. Valmistusprosessien kehittymisen ja kysynnän kasvun myötä HTS-johtimia on nykyisin saatavissa kaupallisesti, mikä edistää merkittävästi HTS-johtimien tutkimusta ja siten ymmärtämystä niiden käyttäytymisestä.

Suprajohdemagneettien stabiili operointi edellyttää, että magneetti on suprajohtavassa tilassa. Tämä tarkoittaa sitä, että suprajohteen lämpötilan, virrantiheyden ja johteeseen vaikuttavan magneettikentän tulee olla riittävän alhaisia. Kun johdin on suprajohtavassa tilassa, syntyvät lämpöhäviöt ovat pienet ja jäähdytysjärjestelmän kompensoitavissa. Jos jonkin häiriön seurauksena suprajohtava tila menetetään paikallisesti, suprajohde muuttuu normaalijohtavaksi ja siinä alkaa syntyä lämpöä. Mikäli häiriö on energialtaan riittävän suuri, magneetin stabiili operointitila voidaan menettää. Tällöin on kriittistä havaita vikatila mahdollisimman nopeasti ja suojata magneetti saattamalla se takaisin stabiiliin tilaan.

CERN:in hiukkaskiihdyttimessä Large Hadron Colliderissa käytettävien suprajohtavien kiihdytinmagneettien magneettikenttään on varastoituneena valtava määrä energiaa.

- Yhden noin 14 metriä pitkän magneetin energiamäärä operoinnin aikana vastaa massaltaan 2000-kiloisen auton liike-energiaa 300 kilometrin tuntinopeudessa, Ruuskanen kertoo.

Suojauksen yhteydessä suprajohtava magneetti kytketään irti virtalähteestä. Tällöin magneettikenttään varastoitunut energia alkaa muuttua lämmöksi normaalijohtavassa alueessa – jos mitään ei tehdä, kallis magneetti voi tuhoutua jopa muutamassa sekunnissa.

Suojausjärjestelmän tehtävä on purkaa magneettikenttään varastoitunut energia ennen kuin lämpötila ehtii kasvaa liian suureksi normaalijohtavalla alueella.  

Isojen HTS-magneettien suojaus vikatilan sattuessa on yksi tutkimusongelmista, johon ei olla vielä onnistuttu keksimään toimivaa ratkaisua. Suunniteltaessa tulevaisuuden HTS-magneettien suojausjärjestelmiä, suprajohteen käyttäytymisen tunteminen kiihdytinmagneettisovelluksissa on äärimmäisen tärkeää. Tähän Ruuskasen kehittämät simulointityökalut tarjoavat apua.
 
Analysoidessaan HTS-magneettien käyttäytymistä, Ruuskanen hyödyntää muun muassa inversio-ongelmien teoriaa, jonka avulla pystytään selvittämään suprajohteiden käyttäytymistä ennustavia lainalaisuuksia mittaustulosten perusteella.

- Menetelmällä voidaan tutkia, mitä tapahtuu niin sanotusti magneetin konepellin alla. Tällöin saadaan ymmärrystä sekä mallien toimivuudesta että magneetin käyttäytymisestä. Lisäksi väitöskirjassa tarkastellaan yhtä mahdollista HTS-magneettien vikatilasuojausjärjestelmää ja esitellään menetelmä sen optimoimiseen.

Ruuskanen arvioi, että tällaiset työkalut ovat tarpeen HTS-magneettien suunnittelussa myös muissa sovelluksissa. Yhdysvalloissa ja Englannissa esimerkiksi viimeisen parin vuoden aikana useat kansalliset ja kaupalliset projektit tähtäävät HTS-magneettien käyttöön kaupallisissa fuusio-reaktoreissa.

- HTS-magneettiteknologia on edennyt huimasti viimeisten vuosien aikana. Suomessakin kannattaisi panostaa sen tutkimiseen puhtaan energian tuottamisessa, Ruuskanen toteaa.

Janne Ruuskanen on kotoisin Lempäälästä ja työskentelee tällä hetkellä tutkijana Sähkömekaniikan tutkimusryhmässä Tampereen yliopistossa.

Diplomi-insinööri Janne Ruuskasen sähkötekniikan alaan kuuluva väitöskirja Modelling nonlinear effects in high temperature superconducting magnets tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunnassa perjantaina 10.1.2020 kello 12 alkaen Tietotalon salissa TB109, Korkeakoulunkatu 1, Tampere. Vastaväittäjinä toimivat apulaisprofessori Antonio Morandi (University of Bologna, Italia) ja tohtori Francesco Grilli (Karlsruhe Institute of Technology, Saksa). Kustoksena toimii dosentti Antti Stenvall.
 
Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1419-4

Kuva: Arto Jalonen