W latach 2017 – 2018 pracownicy i współpracownicy Katedra Kriogeniki i Inżynierii Lotniczej Politechniki Wrocławskiej we współpracy z Departamentem Technologii Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN w Genewie, opracowali konstrukcję stanowiska testowego o nazwie FRESCA2 (Facility for the Reception of Superconducting Cables). Stanowisko ma służyć badaniom prototypów oraz testom odbiorczym produkowanych masowo kabli wykonanych z nadprzewodnika Nb3Sn, przeznaczonych do produkcji akceleratorowych magnesów nadprzewodnikowych. Całkowita wartość kontraktu wniosła 91 tyś euro.
Stanowisko FRESCA2, o całkowitej wysokości 4.5 m i średnicy zewnętrznej 2.0 m, składa się z dwóch niezależnie pracujących kriostatów typu Claudet’a: zewnętrznego i wewnętrznego. Konstrukcje kriostatów pozwalających na wytworzenie w dolnych częściach ich zbiorników kąpieli przechłodzonego helu nadciekłego o temperaturze 1.9K i ciśnieniu absolutnym 1.3 bar. Górne części zbiorników kriogenicznych wypełnione są częściowo helem normalnym o temperaturze 4.5 K, którego zadaniem jest odcięcie dopływów ciepła do kąpieli przechłodzonego helu nadciekłego z górnych, ciepłych partii zbiorków kriogenicznych. Kąpiele przechłodzonego helu nadciekłego separowane są termicznie od wypełniającego górne części zbiornika helu normalnego tzw. płytami l, stanowiących równocześnie mechaniczne elementy nośne dla elementów znajdujących się w kąpieli przechłodzonego helu nadciekłego.
Zbiorniki kriogeniczne są termicznie izolowane próżnią wysoką, wytworzoną w zbiornikach próżniowych poszczególnych kriostatów. Dodatkowo, w zbiornikach próżniowych umieszczono osłony termicznie, czynnie chłodzone skroplonym azotem o temperaturze 80K, których zadaniem jest ograniczenie dopływów ciepła na drodze promieniowania od ciepłych elementów zbiorników próżniowych do zimnych powierzchni zbiorników kriogenicznych. Całość systemu izolacji termicznej dopełnia izolacja wielowarstwowa, którą pokryte są wszystkie zimne powierzchnie zbiorników kriogenicznych i ekranów termicznych.
Schłodzenie kąpieli helu nadciekłego z temperatury helu normalnego do temperatury pracy oraz kompensacja dopływów ciepła do tych kąpieli podczas nominalnych warunków pracy kriostatów odbywa się przez wykorzystanie wymienników ciepła, w których czynnikiem chłodzącym jest nasycony hel nadciekły o temperaturze 1.8 K i ciśnieniu absolutnym 16 mbar.
W kąpieli helu nadciekłego kriostatu zewnętrznego, o objętości ok. 5.3 m3, znajdować się będzie 10-o tonowy magnes nadprzewodnikowy z cewka wykonaną z nadprzewodnika Nb3Sn, generujący stałe pole magnetyczne na poziomie 14.7 T. Przez aperturę magnesu o średnicy 100 mm przebiegać będzie zbiornik kriogeniczny kriostatu wewnętrznego, w którym będzie znajdować się próbka kabla nadprzewodnikowego, również chłodzona przechłodzonym helem nadciekłym.
Dzięki zastosowaniu koncepcji podwójnego kriostatu możliwe będzie długotrwale utrzymanie magnesu nadprzewodnikowego w stanie schłodzonym, podczas gdy próbki badanych kabli będą mogły być niezależnie schładzane, badane, wygrzewane i wymieniane w tygodniowym cyklu testowym.
Konstrukcja stanowiska FRESCA2 wymagała spełnienia szeregu wymagań wynikających z przepisów technicznych, istniejącej infrastruktury, która będzie wykorzystana do obsługi stanowiska oraz z warunków prowadzenia testów kabli. Do zakresu prac pracowników Katedry należało m.in.:
– projekt i obliczenia cieplno-mechaniczne elementów stanowiska zgodnie z Europejską Dyrektywą 2014/68/UE dla Urządzeń Ciśnieniowych (Pressure Equipmnet Directive, PED),
– opracowanie modelu 3D i dokumentacji produkcyjnej stanowiska,
– dobór osprzętu bezpieczeństwa,
– współpraca przy opracowaniu filozofii pracy stanowiska,
– dobór instrumentacji kontrolno-pomiarowej,
– opracowanie konstrukcji i obliczenia cieplne wymienników ciepła do przechładzania i kompensacji dopływów ciepła do kąpiel przechłodzonego helu nadciekłego poszczególnych kriostatów,
– opracowanie systemu regulacji pozycji magnesu w kriostacie zewnętrznym oraz pozycji uchwytu próbki kabla w kriostacie wewnętrznym,
– opracowanie systemu przeniesienia momentu skrętnego z uchwytu próbki kabla na strukturę magnezu.
Prace realizowane były pod merytorycznym nadzorem prof. dra hab. inż. Macieja Chorowskiego przez grupę pracowników i współpracowników Katedry w składzie:
– dr inż. Jarosław Poliński – koordynacja prac technicznych, obliczenia cieplne i dobór wielkości wymienników ciepła, dobór osprzętu bezpieczeństwa, dobór instrumentacji kontrolno-pomiarowej
– dr inż. Paweł Duda – obliczenia termo-mechaniczne elementów stanowiska testowego,
– dr inż. Maciej Grabowski – konstrukcja elementów stanowiska,
– dr inż. Michał Stanclik – konstrukcja elementów stanowiska, obliczenia cieplne,
– dr hab. inż. Artur Iluk – opracowanie systemu regulacji pozycji magnesu i uchwytu próbki, opracowanie systemu przeniesienia momentu skrętnego z uchwytu próbki kabla na strukturę magnesu.
Widok przekrój modelu konstrukcji stanowiska testowego FRESCA2
 Magnes Fresca 2 |
 Uchwyt próbki kabla nadprzewodnikowego |
