Analyses and experimental tests for the development of the Quench Protection System for the superconducting magnets of the Satellite Tokamak JT-60SA

La produzione di energia per mezzo della fusione termonucleare in plasmi confinati magneticamente è un obiettivo ambizioso e importante, che potrebbe contribuire a risolvere il problema delle fonti energetiche per l’umanità. Le tecnologie attualmente disponibili non permettono ancora la realizzazione di un reattore a fusione commerciale, e notevoli progressi sono necessari per la costruzione di un reattore a fusione dimostrativo, denominato DEMO. In questa direzione il progetto del reattore sperimentale internazionale (ITER) è stato promosso e supportato dalla comunità internazionale. Tuttavia in Giappone e in Europa è stato riconosciuto che non tutte le informazioni necessarie per lo sviluppo di DEMO possono essere ottenute solamente da ITER, e che altre strutture complementari accelererebbero lo sviluppo della fusione. Conseguentemente è stato stipulato un accordo giapponese – europeo (Broader Approach Agreement) che include la progettazione, la costruzione e l’operazione congiunta del Tokamak Satellite JT-60SA. La massima corrente di plasma di JT-60SA sarà di circa 5.5MA, con una durata di flat-top di circa 100s, grazie all’ignizione di potenza per mezzo di neutral beam e radio frequenza ciclotronica elettronica (ECRF). L’esperimento JT-60SA è caratterizzato dall’impiego di magneti superconduttori toroidali e poloidali, che richiedono l’installazione di un sistema di protezione atto a rimuovere rapidamente la corrente dai magneti in caso di perdita dello stato di superconduttività (quench). Il Consiglio Nazionale della Ricerca (CNR) italiano, per mezzo del Consorzio RFX, ha il compito di progettare e fornire i circuiti di protezione in caso di quench (QPC) per i magneti superconduttori di JT-60SA. La progettazione delle QPC richiede la definizione della massima corrente che può circolare nei magneti superconduttori in diverse condizioni. Il circuito poloidale di JT-60SA è particolarmente complesso, anche a causa dei mutui accoppiamenti tra i magneti superconduttori e gli altri conduttori attivi e passivi, ed è possibile che, in caso di variazione rapida della corrente in uno dei circuiti, si manifestino sovracorrenti indotte negli altri circuiti mutuamente accoppiati. Per ottenere le informazioni utili alla progettazione delle QPC, è stato necessario sviluppare un modello completo dei circuiti, in grado di tenere in considerazione tutti gli elementi mutuamente accoppiati. Il modello è stato utilizzato per analizzare la disruzione di plasma e l’intervento delle QPC in numerose e varie condizioni, per determinare le possibili sovracorrenti nei magneti. Dopo aver definito le specifiche delle QPC, è stato possibile sviluppare un progetto concettuale di questi dispositivi, il cui elemento principale è rappresentato da un interruttore in corrente continua in grado di commutare la corrente in una resistenza di scarica. Non è semplice individuare un singolo dispositivo in grado di portare un’elevata corrente dc in steady state con ridotte perdite di potenza e di essere poi affidabile nell’effettuare un’interruzione di corrente con tensione applicata di alcuni kilo-volts. Di conseguenza è dedicato ampio spazio allo studio di fattibilità di un interruttore dc ibrido meccanico-statico, basato sull’impiego di un interruttore meccanico di by-pass (BPS) collegato in parallelo a un interruttore statico composto da Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT). L’integrazione di dispositivi meccanici e statici permette di combinare i benefici di entrambe le tecnologie impiegate. Il dimensionamento della parte statica dell’interruttore è stato eseguito prendendo in considerazione due diversi tipi di IGCT; si è operato un confronto con il dimensionamento ottenuto nel caso di utilizzo di un interruttore completamente statico, dimostrando così il risparmio ottenuto con la soluzione ibrida in termini di numero di componenti statici e di dissipazione di potenza. L’interruttore ibrido meccanico-statico proposto rappresenta una soluzione innovativa mai utilizzata per l’interruzione di elevate correnti continue, di conseguenza deve essere attentamente analizzato sia in termini di fattibilità che di affidabilità. Uno dei principali aspetti concernenti la fattibilità, ovvero la possibilità di accendere più IGCT collegati in parallelo con una bassa tensione applicata, è stato affrontato con successo per mezzo di test sperimentali che hanno dimostrato la praticabilità della soluzione proposta. Per acquisire esperienza sulla commutazione di corrente tra il BPS meccanico e l’interruttore statico, e per valutarne l’affidabilità, si è sviluppato e testato un prototipo dell’interruttore ibrido per le QPC presso il Consorzio RFX. Con questo prototipo sono state eseguite con successo più di cento commutazioni e interruzioni di corrente fino al valore di 7 kA, e i positivi risultati sperimentali hanno dimostrato la fattibilità e l’affidabilità della soluzione ibrida meccanico-statica proposta per l’interruttore delle QPC di JT-60SA.