Development of gas insulated high voltage components for Neutral Beam Injectors (NBI)

The High Voltage Direct Current (HVDC) gas-insulated (GIS) technology will play a fundamental role for the future generation of Neutral Beam Injectors (NBI) operating at very high energy levels. As a matter of fact, the HVDC-GIS components will be used to transfer the electric power provided by the Acceleration Grid Power Supply (AGPS), to the ion acceleration grids of the NBI. The main focus of this Ph.D. thesis is to develop specialized numerical tools capable of resolving the nonlinear time-dependent behavior of the HVDC-GIS, analyze the leakage currents flowing in the gas under different conditions, the breakdown detection and the shape optimization of the components themselves. The proposed tools will allow to correctly analyze the phenomena occurring in the dielectric gas and can be used to study the dielectric behavior of the new materials used for solid insulators to increase the reliability and dielectric performances of the equipments. Although mainly focused on the design of the high voltage components for the NBI that will equip the Divertor Tokamak Test (DTT) facility, the construction of which is in the start phase in Frascati, Italy, the methodologies described in the Ph.D. thesis constitute an effective tool for analysis and design optimization of general HVDC-GIS equipments.

La tecnologia dei sistemi di trasmissione di corrente continua ad alto voltaggio (HVDC) isolati in gas (GIS) giocherà un ruolo fondamentale nella futura generazione di iniettori a fasci di neutri (NBI) operanti ad alti livelli energetici. I componenti HVDC-GIS saranno infatti utilizzati per trasferire la potenza elettrica prodotta dal sistema elettrico di alimentazione delle griglie (AGPS), alle griglie dell'iniettore a fasci di neutri adibite all'accelerazione degli ioni. Lo scopo principale della tesi di dottorato consiste nello sviluppo di strumenti numerici specializzati, in grado di risolvere il comportamento non lineare dipendente dal tempo dei sistemi HVDC-GIS, analizzare le correnti di perdita che fluiscono nel gas in diverse condizioni, la possibile insorgenza di scariche elettriche nel gas e la capacità di svolgere l'ottimizzazione delle forme dei componenti stessi. Gli strumenti proposti consentiranno di analizzare correttamente i fenomeni che avvengono nel gas dielettrico e potranno essere utilizzati per studiare il comportamento dielettrico dei nuovi materiali impiegati per gli isolatori solidi al fine di aumentare l'affidabilità e la tenuta dielettrica dei componenti. Sebbene focalizzata principalmente sulla progettazione dei componenti ad alta tensione per l'NBI che equipaggerà l'esperimento Divertor Tokamak Test (DTT), la cui costruzione è in fase di avvio a Frascati in Italia, le metodologie descritte nella tesi di dottorato costituiscono un efficace strumento per l'analisi e l'ottimizzazione progettuale di generici apparati HVDC-GIS.