Vai ai contenuti. | Spostati sulla navigazione | Spostati sulla ricerca | Vai al menu | Contatti | Accessibilità

| Crea un account

Pesce, Alberto (2010) Passive protections against breakdown effects in Neutral Beam injection devices for nuclear fusion experiments. [Tesi di dottorato]

Questa è la versione più aggiornata di questo documento.

Full text disponibile come:

[img]
Anteprima
Documento PDF
43Mb

Abstract (inglese)

The necessity of new and clean technologies for energy production from one hand and the carbon dioxide emission regulations on the other are inducing nuclear fusion research to speed towards a possible future energy source. So the next experiment, which is being built in France, called ITER (acronym for International Thermonuclear Experimental Reactor, an international collaboration between European Union, Japan, Russian Federation, India, China, South Korea and United States of America) has to give an answer on the real feasibility to achieve nuclear fusion, and in particular on the possibility to control the plasma stability for long time at high temperature, to maintain the stationary phase and to reach fusion temperature. One of the components necessary to heat the plasma is the Neutral Beam Injector; the concept has been developed for many years up to the present experiments. The principle is basic: the plasma is hit by a neutral atoms beam (not affected by the high magnetic field of the system) at high kinetic energy so that this energy is transferred by collisions to the ions of the plasma. Meanwhile the beam helps to drive the plasma current, necessary for the plasma confinement inside the vessel in a “tokamak” configuration. The engineering requirements for the ITER NBI are very demanding, as it is subjected by severe mechanical, thermic and electrical stress. In particular, the neutral beam power requested is 16.5 MW while the energy of the deuterium or hydrogen negative ions, accelerated before neutralization, is in the order of 1 MeV. This involves a total accelerating voltage equal to 1 MV. So one of the most critical topic for the whole system is the operation very close to the breakdown limits for the accelerating grids, so that breakdown is not considered as a fault but a common working condition for the system. The activity reported in this doctoral thesis, mainly carried out at Consorzio RFX, deals on this matter. In particular the effects of arc between the grids are analyzed, both in terms of arc energy deposition on the grids and in terms of the current and voltage transient propagation on different locations of the system. Arc energy has to be limited below a certain threshold value in order to avoid an irreversible grids damage; this would cause the de-conditioning and the loss of high voltage holding with a breakdown occurrence at lower voltage level. Instead the fast voltage transients are dangerous because they can induce overvoltages on some tricky points and therefore lead to unexpected insulation losses; in addition they are source of electromagnetic noise (EMI) due to high frequencies in the order of MHz, a problem if we consider the large number of diagnostic devices. In this thesis some design solutions to limit these effects are explained; they are supported by proper circuital simulations or experimental validation. The devices presented are alternative to the present adopted solutions, as they form a comprehensive protection strategy. Then, they are passive protections because we need an instantaneous intervention after breakdown to be effective, contrary to active protections which need some delay due to the signal acquisition demonstrating the arc occurrence. The thesis is organized as follows. In the chapter 1 the ITER neutral beam injector is presented, in the framework of the nuclear fusion research; the operation principles and the main components are basically described. Finally the test facility being built in Padua is shown; it is constituted by two experiments, a ITER full-scale negative ion sources, with a single -100 kV accelerating stage, and a full-scale injector, identical to that which will be installed in ITER. The chapter 2 shows at first the operating conditions, from the electrical point of view, foreseen for the neutral beam injector. In particular high voltage holding issues are presented, together with the conditioning process in vacuum; then a tentative vacuum arc modeling for long gap is described, considering arc energy dissipation due mainly to radiation phenomenon. At last present countermeasures against breakdown effects are shown, namely a concentrated core snubber at the injector transmission line ends and the active protections. In the chapter 3 two new concepts for passive protections are introduced. The first is a damping resistor connecting the last accelerating grid (the so called grounded grid) with the vacuum vessel (grounded) of the injector with the aim to damp the arc current involving this grid and the return conductor of the transmission line. Then the design and the assembly of a prototype are described; this is installed at the French laboratory of CEA (Commissariat à l’Énergie Atomique) in Cadarache, where it will be tested. The detailed circuital modeling of this test bed is reported; the model is useful to compare and understand experimental results. The second device is a distributed core snubber along the whole transmission line to damp the breakdown with a less cumbersome element and a simpler, more effective structure. The results on a small-scale example are presented to support this proposal. The chapter 4 outlines an integration of a comprehensive design for passive protections on a whole system. In particular, for the experimental negative ion source the positive effects of some devices are proposed, studied and optimized, i.e. a damper resistor, a distributed core snubber and a L–R parallel input impedance between the power supply and the transmission line. Finally the core snubber design is described, constituted by a series of magnetic cores evenly distributed on the transmission line and polarized by a proper biasing circuit.

Abstract (italiano)

L’esigenza di nuove tecnologie per la produzione di energia, compatibili con l’ambiente, e le normative sulle emissioni di anidride carbonica stanno spingendo la ricerca sulla fusione nucleare come possibile alternativa futura. Da questo punto di vista il prossimo esperimento in via di costruzione in Francia, ITER (acronimo di International Thermonuclear Experimental Reactor, frutto di una collaborazione internazionale tra Unione Europea, Giappone, Russia, India, Cina, Corea del Sud e Stati Uniti d’America), dovrà dare delle risposte sull’effettiva fattibilità della fusione nucleare, e in particolare sul controllo della stabilità di plasma per lunghi tempi e ad alte temperature, sulla possibilità di funzionamento in regime stazionario e sull’effettivo raggiungimento della temperatura di fusione. Uno dei dispositivi necessari per il riscaldamento del plasma è l’iniettore di neutri, concetto sviluppato già in diverse macchine operanti fino ad oggi. Il principio è semplice: si tratta di “bombardare” il plasma con un fascio di atomi neutri (quindi insensibili ai forti campi magnetici presenti) ad alta energia cinetica in modo da trasferire mediante collisioni l’energia agli ioni del plasma stesso. Nel contempo il fascio aiuta anche il ostenimento della corrente di plasma, necessaria per il confinamento nella camera di scarica in configurazione “tokamak”. Le prestazioni ingegneristiche richieste all’iniettore di neutri di ITER sono molto gravose, sia dal punto di vista delle sollecitazioni meccaniche e termiche che da quelle elettriche. In particolare, la potenza del fascio di atomi neutri richiesto è di 16.5 MW mentre l’energia di accelerazione del fascio di ioni negativi di deuterio o idrogeno, a monte della neutralizzazione, è di 1 MeV. La tensione di accelerazione corrispondente è perciò di 1 MV. Uno dei punti più critici dell’intero sistema è dato dalle condizioni operative molto vicine ai limiti di scarica per le griglie di accelerazione, tanto che la scarica stessa non è considerata un fenomeno di guasto bensì una normale condizione di funzionamento del sistema. Il lavoro esposto in questa tesi di dottorato, svolto principalmente presso il Consorzio RFX, si inserisce in questo contesto. In particolare vengono analizzati gli effetti dell’arco tra le griglie sia in termini di energia d’arco depositata sulle griglie stesse che dei transitori di tensione e corrente che si propagano nei vari punti del sistema. Riguardo all’energia d’arco, essa dev’essere limitata al di sotto di un certo valore per evitare il danneggiamento irreversibile delle griglie stesse con conseguente decondizionamento del sistema, perdita delle proprietà di tenuta della tensione e quindi il verificarsi della scarica a tensioni più basse. I transitori di tensione invece possono essere dannosi, sia perché possono indurre sovratensioni in punti delicati del sistema con conseguente perdita dell’isolamento, sia perché sono fonte di disturbi elettromagnetici (EMI) per le varie apparecchiature diagnostiche presenti, legati alle alte frequenze in gioco dell’ordine dei MHz. Vengono in questa sede proposte alcune soluzioni progettuali per limitare tali effetti, corroborate da opportune simulazioni circuitali o da validazione sperimentale. I dispositivi esposti sono alternativi a quelli fino ad oggi impiegati, presentando una strategia d’insieme per la protezione. In più, sono di tipo passivo in quanto devono intervenire istantaneamente al verificarsi della scarica per poter essere efficaci, contrariamente alle protezioni attive che necessitano di un certo tempo di intervento legato all’acquisizione di un segnale comprovante la scarica. La tesi è articolata nel modo seguente. Nel capitolo 1 viene introdotto l’iniettore di neutri di ITER nell’ambito delle ricerche sulla fusione nucleare; ne vengono descritti schematicamente i principi di funzionamento e i componenti principali. Infine viene presentata l’installazione sperimentale in via di costruzione a Padova, costituita da due esperimenti, ovvero una sorgente di ioni negativi in scala 1:1 rispetto a quella di ITER, con un unico stadio di accelerazione del fascio a -100 kV, e un iniettore vero e proprio, identico a quello che verrà installato su ITER. Il capitolo 2 presenta dapprima le condizioni operative previste per l’iniettore di neutri dal punto di vista elettrico. In particolare vengono introdotte le problematiche della tenuta alla tensione e del processo di condizionamento in vuoto; quindi viene descritta una possibile modellazione circuitale per l’arco elettrico su lunghe distanze, considerando il fenomeno dell’irraggiamento come preponderante per la dissipazione dell’energia d’arco. Infine vengono presentate le attuali soluzioni contro gli effetti della scarica, ovvero uno snubber magnetico concentrato alle estremità della linea di trasmissione dell’iniettore e le protezioni di tipo attivo. Nel capitolo 3 vengono introdotti due nuovi concetti di protezioni passive. Il primo è un resistore di smorzamento che collega l’ultima griglia di accelerazione del fascio di ioni (la griglia di terra) con la cassa esterna dell’iniettore (messa a terra) in modo da smorzare la corrente d’arco che interessa tale griglia e si richiude sul conduttore di ritorno della linea di trasmissione. Vengono descritti il progetto e la costruzione di un prototipo installato presso il laboratorio francese del CEA (Commissariat à l’Énergie Atomique) di Cadarache, dove dovrà essere testato. L’impianto di prova di tale laboratorio viene poi modellato nel dettaglio per poter confrontare i risultati sperimentali e poterli interpretare. Il secondo dispositivo è uno snubber magnetico distribuito lungo tutto lo sviluppo della linea di trasmissione, in modo da smorzare al meglio ogni possibile guasto con un minor ingombro sul sistema e una struttura più semplice ed efficace. I risultati di una prova sperimentale su un modello in scala ridotta sono presentati a supporto della proposta. Il capitolo 4 delinea un esempio di progetto integrato di protezioni passive su un intero sistema. In particolare, per l’esperimento della sorgente di ioni negativi, vengono proposti, studiati e ottimizzati su un opportuno circuito equivalente gli effetti positivi del resistore di smorzamento, dello snubber magnetico distribuito e di un’impedenza L–R parallelo interposta tra alimentatore e linea di trasmissione. Infine viene descritto il progetto dello snubber, costituito da una serie di nuclei magnetici equispaziati lungo la linea e polarizzati da un opportuno circuito.

Statistiche Download - Aggiungi a RefWorks
Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Rostagni, Giorgio
Correlatore:De Lorenzi, Antonio
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 22 > Scuole per il 22simo ciclo > INGEGNERIA INDUSTRIALE > ENERGETICA
Data di deposito della tesi:NON SPECIFICATO
Anno di Pubblicazione:01 Febbraio 2010
Parole chiave (italiano / inglese):Neutral Beam Injector, Passive protections, Breakdown, Damping resistor, Distributed core snubber
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/31 Elettrotecnica
Struttura di riferimento:Centri > Centro Interdipartimentale "Centro Ricerche Fusione"
Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Codice ID:2623
Depositato il:21 Set 2010 13:22
Simple Metadata
Full Metadata
EndNote Format

Bibliografia

I riferimenti della bibliografia possono essere cercati con Cerca la citazione di AIRE, copiando il titolo dell'articolo (o del libro) e la rivista (se presente) nei campi appositi di "Cerca la Citazione di AIRE".
Le url contenute in alcuni riferimenti sono raggiungibili cliccando sul link alla fine della citazione (Vai!) e tramite Google (Ricerca con Google). Il risultato dipende dalla formattazione della citazione.

[1] EFDA, www.efda.org. Vai! Cerca con Google

[2] ITER organization, www.iter.org. Vai! Cerca con Google

[3] K. Watanabe et al., Development of a dc 1 MV power supply technology for NB Cerca con Google

injectors, IOP Nucl. Fus. 46 (2006), 332–339. Cerca con Google

[4] A. De Lorenzi et al., The insulation structure of the 1 MV transmission line for Cerca con Google

the ITER neutral beam injector, Proc. of the 24th Symp. on Fus. Techn., vol. 82, Cerca con Google

October 2007, pp. 836–844. Cerca con Google

[5] A. De Lorenzi, L. Grando, A. Pesce, P. Bettini, and R. Specogna, Modeling of epoxy Cerca con Google

resin spacers for the 1 MV dc gas insulated line of ITER neutral beam injector Cerca con Google

system, IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation 16 (2009), 77–87. Cerca con Google

[6] P. Sonato et al., The ITER full size plasma source device design, Proc. of the 25th Cerca con Google

Symp. on Fus. Techn., vol. 84, June 2009, pp. 269–274. Cerca con Google

[7] H.M. Owren, W.R. Baker, K.H Berkner, D.B. Hopkins, and D.J. Massoletti, The Cerca con Google

effect of capacitive stored energy of neutral beam accelerator performance, Proc. of Cerca con Google

the 12th Symp. on Fus. Techn., September 1982, pp. 455–460. Cerca con Google

[8] F. Bottiglioni and J.P. Bussac, Energetic breakdowns and voltage hold-off between Cerca con Google

copper electrodes in vacuum, Physica 104C (1981), 248–255. Cerca con Google

[9] A. Masiello, A. De Lorenzi, L. Grando, and L. Svensson, Critical issues of HV dc Cerca con Google

vacuum and pressurized gas environments for the ITER NB injector, Proc. of the Cerca con Google

24th Symp. on Fus. Techn., vol. 82, October 2007, pp. 819–828. Cerca con Google

[10] L. Cranberg, The initiation of electrical breakdown in vacuum, J. of Appl. Phys. 23 Cerca con Google

(1952), no. 1, 518–522. Cerca con Google

[11] F.M. Charbonnier, A brief review of vacuum breakdown initiation process, Proc. of Cerca con Google

the 3rd Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, September Cerca con Google

1968, pp. 15–34. Cerca con Google

[12] P. Spolaore, G. Bisoffi, F. Cervellera, R. Pengo, and F. Scarpa, The large gap case Cerca con Google

for HV insulation in vacuum, IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation Cerca con Google

4 (1997), no. 4, 389–393. Cerca con Google

[13] K. Watanabe et al., dc voltage holding experiments of vacuum gap for high-energy Cerca con Google

ion sources, J. of Appl. Phys. 72 (1992), no. 9, 3949–3956. Cerca con Google

[14] P. Massmann et al., Voltage holding and dark currents in the Cadarache 1 MV Ion Cerca con Google

Beam facility, Proc. of 20th ISDEIV (Tours, France), 2002. Cerca con Google

[15] A. Krylov and R. S. Hemsworth, Gas flow and related beam losses in the ITER Cerca con Google

neutral beam injector, Fus. Eng. and Des. 81 (2006), no. 19, 2239–2248. Cerca con Google

[16] M. Bonin, Modello circuitale d’arco per la simulazione del fenomeno di scarica Cerca con Google

nell’iniettore di neutri di ITER, Degree thesis, Electrical Engineering Department, Cerca con Google

University of Padova, 2007, (in Italian). Cerca con Google

[17] J. Reece Roth, Industrial plasma engineering, vol. 1, IoP, Bristol, UK, 1995. Cerca con Google

[18] T. E. Browne, The electric arc as a circuit element, Journ. of Electrochemical Society Cerca con Google

102 (1955), no. 1, 27–37. Cerca con Google

[19] O. Morimiya, S. Sohma, T. Sugawara, and H. Mizutani, High current vacuum arcs Cerca con Google

stabilized by axial magnetic fields, IEEE Trans. on Power App. and Systems. 92 Cerca con Google

(1973), 1723–1732. Cerca con Google

[20] R. Claesen and P. L. Mondino, Jet Project – neutral beam injection and radiofrequency Cerca con Google

power supplies, Fusion technol. 11 (1987), no. 1, 141–162. Cerca con Google

[21] D. C. Edwards et al., Commissioning and operation of 130 kV/130 A switched-mode Cerca con Google

HV power supplies with the upgraded JET neutral beam injectors, Proc. of the 23th Cerca con Google

Symp. on Fus. Techn., vol. 75-79, November 2005, pp. 41–47. Cerca con Google

[22] J. A. Carwardine, G. Pile, and T. E. Zinneman, Management of High Current Transients Cerca con Google

in the CWDD Injector 200 kV Power System, Proc. of the 1995 Part. Accel. Cerca con Google

Conf., vol. 2, May 1995, pp. 1242–1244. Cerca con Google

[23] J.H. Fink, W.R. Baker, and H.M. Owren, Analysis and application of a transformer Cerca con Google

core that acts as an arc snubber, IEEE Trans. on Plasma Science 8 (1980), no. 1, Cerca con Google

33–38. Cerca con Google

[24] M. Bigi, V. Toigo, and L. Zanotto, Protections against grid breakdowns in ITER Cerca con Google

neutral beam injector power supplies, Proc. of the 24th Symp. on Fus. Techn., vol. 82, Cerca con Google

October 2007, pp. 905–911. Cerca con Google

[25] K. Watanabe et al., Design of a -1 MV dc UHV power supply for ITER NBI, IOP Cerca con Google

Nucl. Fus. 49 (2009), no. 5, 55022 (5 pp.). Cerca con Google

[26] M. Bigi, A. De Lorenzi, L. Grando, K. Watanabe, and M. Yamamoto, A model for Cerca con Google

fast transient analyses of the ITER NBI power supplies and the MAMuG accelerator, Cerca con Google

Proc. of the 25th Symp. on Fus. Techn., vol. 84, June 2009, pp. 446–450. Cerca con Google

[27] H. Helgesen, The voltage distribution and related problems in a magnetic core snubber Cerca con Google

during transients, Tech. report, Internal JET report JDN/G 152, 1981. Cerca con Google

[28] K. Watanabe et al., Development of a high performance core snubber for high power Cerca con Google

neutral beam injectors, Rev. of sc. instrum. 69 (1998), no. 12, 4136–4141. Cerca con Google

[29] S. Nakajima et al., Fe-based nanocrystalline FINEMET cores for induction accelerators, Cerca con Google

Nucl. Instr. and Met. in Phys. Res. sect. A 331 (1993), 318–322. Cerca con Google

[30] A. Pesce, A. De Lorenzi, and L. Grando, A new approach to passive protections Cerca con Google

against high energy and high current breakdowns in the ITER NBI accelerator, Proc. Cerca con Google

of the 25th Symp. on Fus. Techn., vol. 84, June 2009, pp. 1499–1504. Cerca con Google

[31] W. Rigato et al., Vessel design and interfaces development for the 1 MV ITER Cerca con Google

neutral beam injector and test facility, Proc. of the 25th Symp. on Fus. Techn., Cerca con Google

vol. 84, June 2009, pp. 1606–1610. Cerca con Google

[32] HVR international®, www.hvrint.com. Vai! Cerca con Google

[33] U.K. Baruah et al., Power supply system for 1000S Neutral Beam Injector, 17th Cerca con Google

IEEE/NPSS Symp. on Fus. Eng., vol. 2, October 1997, pp. 1133–1136. Cerca con Google

[34] J.K. Watson, Using parallel complex permeability for ferrite chracterization, IEEE Cerca con Google

Trans. on Magnetics 25 (1989), no. 5, 4224–4226. Cerca con Google

[35] Hitachi Metglas®, www.metglas.com. Vai! Cerca con Google

Versioni disponibili di questo documento

  • Passive protections against breakdown effects in Neutral Beam injection devices for nuclear fusion experiments. (deposited 21 Set 2010 13:22) [Attualmente visualizzato]

Download statistics

Solo per lo Staff dell Archivio: Modifica questo record