Passive protections against breakdown effects in Neutral Beam injection devices for nuclear fusion experiments

L’esigenza di nuove tecnologie per la produzione di energia, compatibili con l’ambiente, e le normative sulle emissioni di anidride carbonica stanno spingendo la ricerca sulla fusione nucleare come possibile alternativa futura. Da questo punto di vista il prossimo esperimento in via di costruzione in Francia, ITER (acronimo di International Thermonuclear Experimental Reactor, frutto di una collaborazione internazionale tra Unione Europea, Giappone, Russia, India, Cina, Corea del Sud e Stati Uniti d’America), dovrà dare delle risposte sull’effettiva fattibilità della fusione nucleare, e in particolare sul controllo della stabilità di plasma per lunghi tempi e ad alte temperature, sulla possibilità di funzionamento in regime stazionario e sull’effettivo raggiungimento della temperatura di fusione. Uno dei dispositivi necessari per il riscaldamento del plasma è l’iniettore di neutri, concetto sviluppato già in diverse macchine operanti fino ad oggi. Il principio è semplice: si tratta di “bombardare” il plasma con un fascio di atomi neutri (quindi insensibili ai forti campi magnetici presenti) ad alta energia cinetica in modo da trasferire mediante collisioni l’energia agli ioni del plasma stesso. Nel contempo il fascio aiuta anche il ostenimento della corrente di plasma, necessaria per il confinamento nella camera di scarica in configurazione “tokamak”. Le prestazioni ingegneristiche richieste all’iniettore di neutri di ITER sono molto gravose, sia dal punto di vista delle sollecitazioni meccaniche e termiche che da quelle elettriche. In particolare, la potenza del fascio di atomi neutri richiesto è di 16.5 MW mentre l’energia di accelerazione del fascio di ioni negativi di deuterio o idrogeno, a monte della neutralizzazione, è di 1 MeV. La tensione di accelerazione corrispondente è perciò di 1 MV. Uno dei punti più critici dell’intero sistema è dato dalle condizioni operative molto vicine ai limiti di scarica per le griglie di accelerazione, tanto che la scarica stessa non è considerata un fenomeno di guasto bensì una normale condizione di funzionamento del sistema. Il lavoro esposto in questa tesi di dottorato, svolto principalmente presso il Consorzio RFX, si inserisce in questo contesto. In particolare vengono analizzati gli effetti dell’arco tra le griglie sia in termini di energia d’arco depositata sulle griglie stesse che dei transitori di tensione e corrente che si propagano nei vari punti del sistema. Riguardo all’energia d’arco, essa dev’essere limitata al di sotto di un certo valore per evitare il danneggiamento irreversibile delle griglie stesse con conseguente decondizionamento del sistema, perdita delle proprietà di tenuta della tensione e quindi il verificarsi della scarica a tensioni più basse. I transitori di tensione invece possono essere dannosi, sia perché possono indurre sovratensioni in punti delicati del sistema con conseguente perdita dell’isolamento, sia perché sono fonte di disturbi elettromagnetici (EMI) per le varie apparecchiature diagnostiche presenti, legati alle alte frequenze in gioco dell’ordine dei MHz. Vengono in questa sede proposte alcune soluzioni progettuali per limitare tali effetti, corroborate da opportune simulazioni circuitali o da validazione sperimentale. I dispositivi esposti sono alternativi a quelli fino ad oggi impiegati, presentando una strategia d’insieme per la protezione. In più, sono di tipo passivo in quanto devono intervenire istantaneamente al verificarsi della scarica per poter essere efficaci, contrariamente alle protezioni attive che necessitano di un certo tempo di intervento legato all’acquisizione di un segnale comprovante la scarica. La tesi è articolata nel modo seguente. Nel capitolo 1 viene introdotto l’iniettore di neutri di ITER nell’ambito delle ricerche sulla fusione nucleare; ne vengono descritti schematicamente i principi di funzionamento e i componenti principali. Infine viene presentata l’installazione sperimentale in via di costruzione a Padova, costituita da due esperimenti, ovvero una sorgente di ioni negativi in scala 1:1 rispetto a quella di ITER, con un unico stadio di accelerazione del fascio a -100 kV, e un iniettore vero e proprio, identico a quello che verrà installato su ITER. Il capitolo 2 presenta dapprima le condizioni operative previste per l’iniettore di neutri dal punto di vista elettrico. In particolare vengono introdotte le problematiche della tenuta alla tensione e del processo di condizionamento in vuoto; quindi viene descritta una possibile modellazione circuitale per l’arco elettrico su lunghe distanze, considerando il fenomeno dell’irraggiamento come preponderante per la dissipazione dell’energia d’arco. Infine vengono presentate le attuali soluzioni contro gli effetti della scarica, ovvero uno snubber magnetico concentrato alle estremità della linea di trasmissione dell’iniettore e le protezioni di tipo attivo. Nel capitolo 3 vengono introdotti due nuovi concetti di protezioni passive. Il primo è un resistore di smorzamento che collega l’ultima griglia di accelerazione del fascio di ioni (la griglia di terra) con la cassa esterna dell’iniettore (messa a terra) in modo da smorzare la corrente d’arco che interessa tale griglia e si richiude sul conduttore di ritorno della linea di trasmissione. Vengono descritti il progetto e la costruzione di un prototipo installato presso il laboratorio francese del CEA (Commissariat à l’Énergie Atomique) di Cadarache, dove dovrà essere testato. L’impianto di prova di tale laboratorio viene poi modellato nel dettaglio per poter confrontare i risultati sperimentali e poterli interpretare. Il secondo dispositivo è uno snubber magnetico distribuito lungo tutto lo sviluppo della linea di trasmissione, in modo da smorzare al meglio ogni possibile guasto con un minor ingombro sul sistema e una struttura più semplice ed efficace. I risultati di una prova sperimentale su un modello in scala ridotta sono presentati a supporto della proposta. Il capitolo 4 delinea un esempio di progetto integrato di protezioni passive su un intero sistema. In particolare, per l’esperimento della sorgente di ioni negativi, vengono proposti, studiati e ottimizzati su un opportuno circuito equivalente gli effetti positivi del resistore di smorzamento, dello snubber magnetico distribuito e di un’impedenza L–R parallelo interposta tra alimentatore e linea di trasmissione. Infine viene descritto il progetto dello snubber, costituito da una serie di nuclei magnetici equispaziati lungo la linea e polarizzati da un opportuno circuito.