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Gambetta, Giulio (2018) Development, Optimization and Testing of High Performance Cooling Systems for Fusion Devices. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

One of the fundamental components for the full scientific exploitation of future fusion experiments is the Neutral Beam Injectors (NBI). Such devices shall operate in ITER and DEMO experiments at particle energy levels, heating power and steady state working conditions that have never been simultaneously reached before in other experimental facilities.
In addition to the challenging technological and manufacturing aspects, NBIs coupled with future fusion reactors should be characterized by much demanding efficiency, availability and reliability factors, composing and additional set of critical issues that claim for an accurate and robust design.
The research activity of this PhD thesis focuses on particular components of the negative ion beam source, the accelerating electrostatic grids, which are characterized by high heating power and highly focused power densities, and hence require a continuous active cooling in order guarantee proper heat removal and temperature control.
Present research aims to verify the present solution applied inside the NBI accelerator grids realized in PRIMA facility (i.e. MITICA experiment) and to perform further improvements in the heat transfer process with an acceptable pressure drop and reliable manufacturing process. The main advantages rely on the possibility to extend the fatigue life-cycle of different high thermal stress components and to investigate the possibility to employ alternative dielectric fluids instead of water. Such design solutions would in fact allow the exploitation of less performing fluids in terms of cooling capability. This is particularly relevant in view of DEMO and future power plants characterized by higher efficiency and reliability.
The research activity is not only limited to numerical analyses but includes the manufacturing of the prototypes of the accelerator grid cooling channels where the novel channel design solutions have been implemented.
In order to characterize the experimental thermo-fluid dynamic behaviour of the samples the hydraulic performances and the cooling efficiency in transient operations have been tested in a specific plant for thermo-hydraulic measurements, called Insulation and Cooling Experiment (ICE).
In order to support further optimization design activity and the implementation of the cooling solutions inside full-scale models of the electrostatic accelerating grid in future injector beam source the experimental results have been obtained and compared both with Computational Fluid-Dynamic models in order to validate the numerical realized predictions.
The thesis is organized in five chapters.
The first one is an introduction to nuclear fusion and magnetic confinement. The second chapter gives a description of the NBI devices, both from the conceptual point of view and technology of its components. The third chapter tackles the development of the novel cooling solution designs on a single channel and single beamlet group sub-modelling of the electrostatic grid system. The fourth chapter confronts the numerical obtained results to the experimental ones performed in the specific test-bed facility.
In the fifth chapter the different developed designs have been upgraded to the electrostatic grid full scale model and a general scheme for further design improvement is introduced. Final general conclusions are drawn in the last dedicated section of the work.
An outline of dealt topics is placed at the beginning of each of the different five chapters.

Abstract (italian)

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.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Sonato, Piergiorgio
Supervisor:Agostinetti, Piero
Ph.D. course:Ciclo 30 > Corsi 30 > FUSION SCIENCE AND ENGINEERING
Data di deposito della tesi:14 January 2018
Anno di Pubblicazione:14 January 2018
Key Words:neutral beam injector, cooling technology, high heat flux, thermofluiddynamics
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/10 Fisica tecnica industriale
Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/06 Fluidodinamica
Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/19 Impianti nucleari
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Industriale
Codice ID:10845
Depositato il:26 Oct 2018 08:08
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Bibliografia

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