Development, Optimization and Testing of High Performance Cooling Systems for Fusion Devices

Uno dei componenti fondamentali per la completa fruibilità scientifica dei futuri esperimenti sulla fusion nucleare è il sistema di iniezione dei neutri (NBI). Tali dispositivi dovranno operare negli esperimenti ITER e DEMO a livelli energetici delle particelle accelerate, carichi termici e condizioni di lavoro in regime stazionario che non sono mai state simultaneamente raggiunte in alcun impianto sperimentale. In aggiunta ai severi aspetti tecnologici e dal punto di vista della realizzazione, i sistemi di iniezione dei neutri accoppiati a futuri reattori a fusion dovranno essere caratterizzati da fattori di efficienza, disponibilità e affidabilità molto severi, contribuendo a comporre un ulteriore insieme di aspetti critici richiedenti un accurate e robusto lavoro di progettazione. L’attività di ricerca illustrata nella presente tesi di Dottorato si focalizza su particolari componenti della sorgente di fasci di ioni negative, le griglie di accelerazione, caratterizzate da elevate carichi termici e densità di potenze altamente localizzate, i quali richiedono un continuo ed attivo sistema di raffreddamento al fine di garantire un’appropriata rimozione del calore ed un adeguato controllo in temperatura. Scopo del presente lavoro di ricerca è la verifica dell’attuale soluzione progettuale inserita nelle griglie di accelerazione del Sistema di iniezione dei neutri che verrà realizzato nel complesso sperimentale PRIMA (ovvero in MITICA) nonché la realizzazione di ulteriori migliorie nei meccanismi di scambio termico con cadute di pressione accettabili e processi di lavorazione affidabili. Il maggiore vantaggio associate a tali risultati risiede nella possibilità di estendere il ciclo di vita a fatica dei diversi component soggetti ad elevati sforzi di natura termomeccanica e nell’ avvio di un’indagine volta alla possibilità di impiego di fluidi dielettrici alternativi all’acqua. Tali soluzioni progettuali permetterebbero di fatto l’impiego di fluidi meno prestanti dal punto di vista delle proprietà termo-fluidodinamiche caratterizzanti i meccanismi di scambio termico. Tale considerazione risulta particolarmente rilevante in vista di DEMO e di futuri impianti per la produzione di energia caratterizzati da alte efficienze termodinamiche ed elevati fattori di affidabilità. L’attività di ricerca non risulta limitata alle sole analisi numeriche ma include la realizzazione dei prototipi dei canali di raffreddamento delle griglie di accelerazione in cui sono state ricavate le innovative soluzioni progettuali. Al fine di caratterizzare in ambito sperimentale il comportamento termo-fluidodinamico dei provini, le prestazioni idrauliche e l’efficienza di raffreddamento in regimi transitori sono state testate in un apposito impianto per l’esecuzione di prove termoidrauliche, denominato Insulating and Cooling Experiment (ICE). Al fine di supportare ulteriori attività di ottimizzazione e l’implementazione delle soluzioni di raffreddamento in modelli in scala reale delle griglie di accelerazione elettrostatica in future sorgenti di iniezione di fasci, i risultati sperimentali così ottenuti sono stati confrontati con modelli fluido-dinamici al fine di validarne le previsioni realizzate numericamente. La tesi è suddivisa in cinque capitoli. Il primo capitolo effettua un’introduzione alla fusione nucleare ed al confinamento magnetico. Il secondo fornisce una descrizione dei dispositivi di iniezione dei neutri, sia da un punto di vista concettuale che tecnologico dei suoi componenti e sottosistemi. Il terzo capitolo affronta lo sviluppo delle soluzioni innovative di raffreddamento su sotto modelli a singolo canale e singolo gruppo di aperture delle griglie elettrostatiche. Il quarto capitolo confronta i risultati ottenuti numericamente con quelli sperimentali. Nel quinto capitolo le diverse geometrie sviluppate sono state riscalate alle dimensioni reali della griglia , esso inoltre introduce uno schema generale per ulteriori migliorie nella progettazione dei canali di raffreddamento. Le conclusioni sono tratte nell’ultima apposita sezione. Un sommario con gli argomenti trattati è riportato all’inizio di ogni capitolo.