Study of the power supply system for the acceleration grids of the iter neutral bean injector

La fusione termonucleare controllata costituisce una promettente alternativa agli idrocarburi quale fonte pulita e quasi illimitata di energia, attualmente la sola potenzialmente in grado di sostituire del tutto le fonti non rinnovabili. L’incremento e la volatilità dei prezzi del petrolio, la prevedibile futura scarsità di idrocarburi e l’apparente corresponsabilità della combustione di tali sostanze nei recenti cambiamenti climatici rendono la fusione sempre più attraente. ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) è un prototipo su larga scala di un reattore a fusione, in costruzione a Cadarache, nel sud della Francia. ITER, frutto di una vasta collaborazione internazionale, sarà il più ambizioso di una serie di esperimenti di fusione costruiti e resi operativi nel mondo, nei quali un gas di atomi leggeri è riscaldato fino a divenire un plasma e sospeso in una camera da vuoto toroidale per mezzo di potenti campi magnetici prodotti da elettromagneti. Se la temperatura del plasma è sufficiente e il confinamento magnetico è abbastanza buono, le reazioni di fusione diventano abbastanza probabili da produrre più energia di quanta non ne serva per sostenere le condizioni di fusione. Lo scopo principale di ITER è di provare la fattibilità fisica e tecnologica della fusione quale fonte di energia e di sviluppare le tecnologie che dovranno essere implementate nei futuri reattori a fusione. In ITER, per riscaldare il plasma è necessario il contributo di 2 o 3 iniettori di atomi neutri (NBI). In questi dispositivi, un fascio di ioni negativi (40 A) è accelerato fino a 1 MeV da una serie di griglie aventi potenziali crescenti. Il fascio viene quindi neutralizzato e iniettato nella camera da vuoto di ITER, dove collide con le particelle di plasma contribuendo al loro riscaldamento. L’acceleratore dell’NBI è alimentato da un sistema dedicato (AGPS, Acceleration Grid Power Supply) dimensionato per 54.7 MW totali. Essendo i requisiti tecnici del sistema NBI nel suo complesso molto superiori alle prestazioni attualmente raggiunte in NBI simili operanti negli esperimenti di fusione, una test facility è prevista e attualmente in costruzione nell’area della ricerca del CNR di Padova. In questa facility, detta PRIMA (Padova Research on ITER Megavolt Accelerator), il progetto attuale dell’NBI verrà testato e migliorato laddove necessario e verranno implementati ulteriori sviluppi dei componenti dell’NBI prima della loro installazione in ITER. Questa tesi espone gli studi condotti dall’autore sull’AGPS, in collaborazione con il gruppo di ricerca del Consorzio RFX di Padova e i ricercatori degli altri enti coinvolti nel progetto. Questi studi hanno lo scopo di verificare la fattibilità dell’AGPS, di supportare la definizione del progetto di riferimento e di verificare il raggiungimento delle prestazioni richieste. Nella sezione 1, è riportata una breve introduzione sul problema energetico e sulla fusione termonucleare controllata. La sezione 2 descrive il principio di funzionamento di un tokamak, la più promettente configurazione per un reattore a fusione. La sezione 3 contiene una breve descrizione dell’esperimento ITER. Nella sezione 4 vengono presentati i componenti principali dell’iniettore di ITER, oltre ad una breve introduzione sulla test facility PRIMA. In sezione 5, vengono introdotti il sistema di alimentazione dell’NBI e i relativi layout. I principali requisiti dell’AGPS sono forniti nella sezione 6, con particolare riguardo a quelli relativi alle analisi presentate in questa tesi. Nella sezione 7, si fornisce una revisione del progetto di riferimento dell’AGPS, descrivendo i calcoli dei principali componenti del sistema di conversione. Il progetto di riferimento presentato in questa tesi, ovviamente, è il risultato del contributo di molti ricercatori che operano all’interno dei relativi enti di ricerca nazionali coinvolti nella sua definizione. Inoltre, alcuni punti aperti del progetto dell’AGPS sono ancora in discussione, e le specifiche dell’AGPS non sono ancora state ultimate. Di conseguenza, i parametri e le scelte tecniche mostrati in questa tesi non rispecchiano necessariamente la versione finale che sarà implementata nel sistema reale. Le stesse considerazioni valgono per la sezione 8, in cui si descrive il progetto del sistema di controllo dell’AGPS. Le prestazioni dell’AGPS descritto nelle sezioni precedenti sono state verificate per mezzo di appositi modelli e simulazioni al calcolatore, sia in condizioni normali che anormali. Nelle sezioni 9, 10, 11 e 12 vengono descritti i modelli sviluppati dall’autore e i risultati delle simulazioni. Nella sezione 13, vengono studiate alcune questioni specifiche riguardanti i test da realizzarsi sull’AGPS reale. In particolare, l’autore propone un tipo di carico fittizio alternativo e studia un sistema per testare il controllo di tensione in catena chiusa, per mezzo di modelli al calcolatore e simulazioni originali. Le conclusioni della tesi sono riassunte nella sezione 14.