Una grossa percentuale dei magneti dei sistemi RM altamente performanti disponibili oggigiorno in commercio opera in base al fenomeno della superconduttività, in base al quale determinati materiali, portati a temperature molto basse, perdono la loro resistenza caratteristica e, in queste circostanze, la corrente al loro interno può aumentare fino a valori molto elevati e scorrere teoricamente fino all’infinito.

La temperatura al di sotto della quale un materiale acquista di colpo la superconduttività è detta temperatura di transizione: se, per una qualsiasi motivazione, si eccede tale temperatura, il materiale perde di colpo la superconduttività e si genera il cosiddetto fenomeno del quench.

Tipicamente, si ottiene la superconduttività mediante l’Elio, il quale si mantiene allo stato liquido alla temperatura di 4,2 K (circa -270 °C, per avere un’idea dell’ordine di grandezza della temperatura), e viene utilizzato per le leghe di niobio-titanio, o di niobio-stagno, con cui si realizzano i magneti superconduttivi. Naturalmente, l’elio viene portato allo stato liquido lavorando con pressioni molto elevate, dal momento che alla temperatura e pressione standard dell’ambiente, esso esiste solo allo stato gassoso.

Ciò rappresenta una problematica non trascurabile: quando si supera la temperatura di transizione, infatti, la lega superconduttiva con cui è realizzato il magnete perde di colpo la proprietà della superconduttività e tutta l’energia accumulata all’interno del magnete (che è molto grande, perché le correnti sono dell’ordine di qualche centinaio di Ampere) si dissipa sotto forma di calore.

Si verifica allora una violenta esplosione e l’elio liquido passa allo stato gassoso con un rapporto 1:700 (riferendosi ai volumi in m3): questa enorme onda pressoria va smaltita verso l’ambiente esterno attraverso la tubazione di quench, che deve essere opportunamente progettata per tale scopo.

Nei magneti superconduttori attualmente installati in Italia è presente una quantità di elio liquido tipicamente compresa tra 600 e 2000 litri: ciò può dare una idea significativa della pericolosità del fenomeno del quench e dell’importanza di una opportuna progettazione della tubazione. In generale, l’elio non è nocivo per la salute, se inalato in piccole quantità.

Se, invece, esso è inalato in concentrazioni elevate, allora può portare all'asfissia, poiché si espande molto rapidamente, saturando in poco tempo tutto il volume a disposizione nell’ambiente in cui si libera, e può anche produrre gravi ustioni da freddo, a causa dell'immediato scambio di calore provocato dalla sua istantanea evaporazione.

L’elio a contatto con la temperatura ambiente ha un passaggio di stato molto repentino ed essendo molto più leggero dell’aria tende a spostarsi verso l’alto: ciò comporta il riempimento della sala e la sua stratificazione dal soffitto verso il basso.

La fuoriuscita di elio nella sala magnete in quantità significative comporta che il tenore di ossigeno può scendere dal 20,9 % (condizione ambientale normale), a meno del 18 %, soglia al di sotto della quale si cominciano ad avere seri problemi di insufficienza respiratoria.

I magneti superconduttori sono quindi caratterizzati da un serbatoio, o dewar, al cui interno l’elio liquido si trova in una particolare condizione di equilibrio termodinamico con la sua fase vapore, ad una temperatura di circa -270 °C, ed in questo stato di equilibrio viene esercitata una continua pressione sulle pareti del serbatoio (pressione che è funzione della quantità di elio che si trova allo stato gassoso).

Durante il normale funzionamento, i magneti superconduttivi possono sviluppare sino a qualche centinaio di litri di gas criogenico all’ora, e si parla del fenomeno di boil-off: se nella torretta superiore del serbatoio del magnete la pressione supera un determinato valore di soglia, allora l’elio gassoso fuoriesce dal dewar del magnete attraverso la valvola di quench.

Vi è a una impiantistica dedicata che può convogliare l’elio gassoso così evaporato o verso l’impianto di ri-liquefazione (situato in sala tecnica) o verso l’esterno, sfruttando anche la tubazione di quench.

Si comprende, pertanto, che la valvola di quench è un dispositivo molto importante, che è soggetto a continue sollecitazioni, e per questo motivo necessita di accurati controlli periodici durante le fasi di manutenzione ordinaria dell’apparecchiatura RM.

CAMERA DI ESPANSIONE DELLA TUBAZIONE DI QUENCH

Oltre agli elementi progettuali discussi nei paragrafi precedenti, è possibile installare anche delle camere di espansione in materiale metallico nelle immediate vicinanze e come appendice finale del terminale di uscita della tubazione di quench.

L'adozione di questa soluzione progettuale è particolarmente indicata laddove la fuoriuscita di elio gassoso avvenga non sufficientemente distante dalle aree ad accesso pubblico, e non è possibile intervenire in modo diverso per modificare il flusso di utenti.

L'obiettivo è creare una camera sufficientemente ampia in cui l'elio gassoso proveniente dalla tubazione possa impattare a velocità molto elevata, perdendo così gran parte della propria energia, per poi risalire verso l'alto notevolmente depotenziato, decelerato e con minore densità (rispetto alla nube originaria che si genera in caso di quench), in maniera tale da scongiurare i potenziali rischi per la salute delle persone.

Tale camera può essere poggiata al suolo e/o ancorata sulle pareti dell’edificio in cui è installato il sistema RM ed è realizzata con dimensioni e consistenza opportune, tali da reggere all’impatto di elio gassoso e deviare effettivamente verso l’alto il gas che fuoriesce, considerando opportune protezioni nei confronti degli agenti atmosferici esterni.

Per massimizzare l'effetto di depotenziamento della camera, è bene che la tubazione possa correre per quasi tutta la lunghezza della stessa verso il suolo, lasciando uno spazio idoneo per l'impatto tra l'elio gassoso e la parete inferiore della camera.

Ciò garantisce una ulteriore rarefazione del gas depotenziato, grazie alla necessità di dover percorrere nuovamente la camera per quasi tutta la sua lunghezza, in senso opposto verso la griglia di sfogo e l'ambiente esterno.

Infine, accanto alla camera va comunque predisposta una segnaletica di avvertimento.