Characterization of the dielectric strength in vacuum of RF drivers for fusion neutral beam injectors

La stazione sperimentale Neutral Beam Test Facility (NBTF) dell'esperimento ITER [1], in costruzione a Padova presso il Consorzio RFX, ospita due esperimenti: MITICA, il prototipo in scala 1:1 del sistema di iniezione di particelle neutre per il riscaldamento del plasma in ITER (NBI) e SPIDER, il prototipo della sorgente ionica impiegata dal NBI. Entrambi i progetti impiegano 8 "driver" a radiofrequenza (RF), ovvero sorgenti di plasma, per la generazione di ioni; ciascun driver è costituto da una camera da vuoto cilindrica su cui è avvolta una bobina che si accoppia induttivamente con il plasma. Ogni bobina è alimentata da un'onda sinusoidale di tensione a 1 MHz, con una potenza fino a 100 kW alla quale corrisponde, con i parametri nominali di plasma, un valore efficace di tensione tra i terminali di circa 12 kV rms. La soluzione progettuale della sorgente ionica deriva dall'attività di ricerca e sviluppo effettuata al Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) negli scorsi anni [2] [3], ulteriormente studiata e sviluppata per raggiungere le prestazioni desiderate per ITER ed in particolare quelle legate al miglioramento dell'ottica del fascio e al funzionamento in vuoto con impulsi di durata prolungata fino ad un'ora [4] [5] [6] [7]. Tra le varie problematiche legate al soddisfacimento dei requisiti per ITER, particolare attenzione è rivolta alla tenuta della tensione in vuoto dei componenti e dei circuiti dell'iniettore, non solo per le griglie di accelerazione che sono soggette a tensioni dc fino a 1 MV, ma anche per i circuiti RF della sorgente e in particolare dei driver. La consapevolezza della criticità di questo aspetto è maturata negli ultimi anni e di conseguenza è cresciuta l'attenzione al problema: anche i più recenti esperimenti presso IPP (RADI ed ELISE) prevedono la possibilità di mettere in vuoto (con pressione inferiore a 10-4 mbar [8]) il volume contenente i driver, per poter simulare meglio le condizioni operative di ITER [9] [10]. Per l'iniettore di neutri di ITER la preoccupazione è anche maggiore, poiché non vi potrà essere controllo diretto della pressione nella regione dei driver; al momento essa è stimata per mezzo di simulazioni numeriche. La tenuta di tensione della bobina dei driver è essenziale al fine di operare la sorgente alla piena potenza, requisito per il raggiungimento delle piene prestazioni dell'iniettore. L'argomento del dottorato ricade nell'ambito della task "RF R&D" del programma di lavoro della NBTF ed è focalizzato allo sviluppo di un esperimento semplice, accessibile e flessibile chiamato "High Voltage RadioFrequency Test Facility" (HVRFTF), indirizzato allo studio delle problematiche legate alla tenuta di tensione in vuoto dei driver RF delle sorgenti di SPIDER e MITICA. Il setup sperimentale di HVRFTF consente di ricreare le condizioni operative delle bobine dei driver e consiste in una camera da vuoto capace di ospitare diversi dispositivi in prova, chiamati Device Under Test (DUT) nella tesi, un sistema di pompaggio e immissione gas in grado di regolare la pressione e la specie di gas all'interno della camera e di un circuito a radiofrequenza in grado di produrre l'alta tensione. HVRFTF permette la variazione delle grandezze fisiche che influenzano la tenuta di tensione, come ad esempio la pressione, la geometria e i materiali dei dispositivi in prova, al fine di poter effettuare analisi parametriche. Questa flessibilità permette non solo di verificare il progetto dell'isolamento dei driver, ma anche di quantificarne i margini operativi e di identificare possibili miglioramenti o spunti per il progetto elettrico di nuovi driver. Parte del lavoro di tesi è stato dedicato alla definizione dei requisiti di HVRFTF, a partire dallo studio della sorgente e delle condizioni operative dei driver che ne influenzano la tenuta di tensione. Ho stimato la tensione applicata alla bobina RF dei driver a piena potenza e ricavato la relativa mappa di campo elettrico, che mi ha consentito di identificare la regione maggiormente stressata. In seguito ho concepito diversi possibili modelli di driver da testare all'interno di HVRFTF: il migliore è basato su una coppia di elettrodi (un piano e una sfera) tra i quali è interposto un disco di materiale dielettrico. Tre sfere di diametro direttamente proporzionale al gap sono necessarie per riprodurre l'andamento del campo elettrico nell'intero intervallo di variazione del gap. Per le prime prove con HVRFTF ho deciso di testare degli elettrodi piani circolari con profilo di Rogowski, anche se non rappresentano un buon modello del driver, al fine di validare il setup sperimentale. L'uso di questo tipo di elettrodi è infatti ampiamente diffuso e documentato in letteratura, perché essi sono in grado di generare condizioni sperimentali riproducibili. Per la generazione di alta tensione a radiofrequenza, tra possibili soluzioni ho adottato un circuito risonante adattato all'impedenza di uscita dell'amplificatore che lo alimenta, attraverso una rete a L rovesciato. In prima istanza, il carico da adattare potrebbe essere l'impedenza del DUT, che dal punto di vista elettrico risulta essere una capacità in serie ad una resistenza, entrambe dipendenti dalla geometria degli elettrodi, dalla loro distanza (gap) e dalle proprietà del materiale dielettrico interposto tra loro. Tuttavia l'implementazione pratica di quest'approccio è complessa: l'impedenza del DUT durante la campagna sperimentale è variabile; inoltre i componenti del circuito di adattamento (almeno uno dei quali dovrebbe essere un induttore), introducono impedenze parassite non note, a loro volta da compensare. Una soluzione ragionevole che ho infine elaborato consiste nel collegare in parallelo al DUT un induttore di caratteristiche opportune e di utilizzare l'impedenza equivalente come carico da adattare. Con questo approccio, una volta dimensionati i componenti in modo tale che la parte reale dell'impedenza di carico sia minore della parte reale dell'impedenza di uscita dell'amplificatore, la rete di adattamento a L rovesciato risulta composta da soli condensatori, le cui capacità si ricavano imponendo il vincolo di adattamento di impedenza e la frequenza di risonanza. L'utilizzo di condensatori aventi capacità regolabile permette infine di modificare la frequenza di risonanza in modo da poter operare in tutto l'intervallo di frequenze di interesse. Per il progetto del circuito RF ho sviluppato modelli elettrici dettagliati per ogni componente impiegato, al fine di verificare e quantificare i requisiti di potenza attiva in funzione della tensione da raggiungere con HVRFTF. La realizzazione preliminare di HVRFTF è stata completata nel 2016 con un circuito a radiofrequenza composto da condensatori aventi capacità fissa, alimentato da un amplificatore RF di potenza limitata; sia i condensatori che l'amplificatore erano già disponibili al Consorzio RFX. La campagna di prove sperimentali con la coppia di elettrodi piani in acciaio ha dimostrato il corretto funzionamento dell'impianto sperimentale con il raggiungimento della tensione di 10 kV, ha consentito di ottenere i primi risultati sperimentali e di validare i modelli sviluppati durante la fase di progetto. Il lavoro presentato in questa tesi è così organizzato: - Capitolo 1: si presenta il contesto tematico all'interno del quale è stata sviluppata la tesi; a partire dal problema energetico, una possibile soluzione è un mix di fonti sostenibili tra cui la fusione nucleare. Si presentano in seguito ITER, il prossimo passo verso la fusione e "ITER Neutral Beam Test Facility", uno dei principali progetti a supporto di ITER con i suoi due esperimenti: SPIDER e MITICA. - Capitolo 2: si descrive in dettaglio uno dei componenti delle sorgenti ioniche di SPIDER e MITICA, ritenuto critico dal punto di vista della tenuta di tensione: il driver. Si presentano le analisi eseguite per derivare le sue condizioni operative. - Capitolo 3: si presenta l'esperimento "High Voltage Radio Frequency Test Facility" (HVRFTF), un piccolo impianto per la caratterizzazione sperimentale della rigidità dielettrica in vuoto dei driver. - Capitolo 4: si presentano le analisi effettuate per la definizione dei dispositivi da testare con HVRFTF, con l'obiettivo che essi possano riprodurre condizioni operative simili a quelle del driver per lo studio della problematica di interesse . - Capitolo 5: si riportano gli studi per la generazione di alta tensione a radiofrequenza e il progetto del circuito risonante adottato per HVRFTF. - Capitolo 6: si presentano i risultati ottenuti con HVRFTF. - Conclusioni.