Χαρακτηριστικά διάδοσης σε σύνθετες κυματοδηγικές διατάξεις με εφαρμογές στην ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη

Abstract

In this thesis, we examine propagation characteristics in complex waveguide structures with applications in controlled thermonuclear fusion, aiming to understand the physical phenomena in specific gyrotron subsystems and to propose solutions to the challenges they face. Specifically, it focuses on two phenomena that affect the performance of gyrotrons: first, the excitation of parasitic electromagnetic modes in the electron beam tunnel and their consequences on beam behavior in the resonant cavity, and second, the deformation of the resonant cavity due to the ohmic loading on its walls, leading to a reduction in the gyrotron's performance. The research examines and proposes solutions to address these issues, aiming to improve gyrotron efficiency. To this end, the interaction of the electron beam with modes in a beam tunnel with metallic walls containing irregular corrugations, incorporating diffusion surfaces (diffusers), was studied. The dimensions of the beam tunnel were similar to those of the European 170 GHz 1 MW gyrotron, designed for the ITER experimental fusion reactor, and simulations were conducted using CST Studio Suite. The numerical results demonstrated near-complete suppression of parasitic oscillations, even in the case of walls with high conductivity. To evaluate the effects of ohmic losses and the consequent thermal deformation of the walls, a multi-physics model was employed, incorporating electrodynamic, thermal-hydraulic, and thermomechanical simulations. The electrodynamic simulations were performed using the EURIDICE software package, while the thermal-hydraulic and thermomechanical analyses were carried out using STARCCM+ software by collaborators from the Polytechnic University of Turin (ENEA-PoliTo). For both the ITER gyrotron cavity (TH1509U) and the 1 MW dual-frequency gyrotron cavity (126/84 GHz) for the TCV experimental fusion reactor (TH1510), the numerical simulation results were in excellent agreement with the corresponding experimental data. Finally, a novel cooling system with longitudinal mini-channels, developed by ENEA-PoliTo in collaboration with Thales, was studied for the TH1507U gyrotron (1.5 MW, 140 GHz) designed for the Wendelstein 7-X experimental fusion reactor. Although the new system provided improved cooling, the overall gyrotron performance was reduced, according to the simulations, due to the shape of the thermal deformation of the cavity, which significantly affected its operation.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζει τα χαρακτηριστικά διάδοσης σε σύνθετες κυματοδηγικές διατάξεις με εφαρμογές στην ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη, με στόχο την κατανόηση των φυσικών φαινομένων σε συγκεκριμένα υποσυστήματα των γυροτρονίων, καθώς και την αναζήτηση λύσεων στα προβλήματα που εμφανίζονται σε αυτά. Ειδικότερα, επικεντρώνεται σε δύο φαινόμενα που επηρεάζουν την απόδοση του γυροτρονίου: πρώτον, την ανάπτυξη παρασιτικών ηλεκτρομαγνητικών ρυθμών στον δίαυλο ηλεκτρονικής δέσμης και τις συνέπειες αυτών στη συμπεριφορά της δέσμης στην κοιλότητα συντονισμού και δεύτερον, την παραμόρφωση της κοιλότητας συντονισμού λόγω του θερμικού φορτίου στα τοιχώματά της με συνέπεια τη μείωση της απόδοσης του γυροτρονίου. Η έρευνα εξετάζει και προτείνει λύσεις για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών, με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης των γυροτρονίων. Για τον σκοπό αυτό, μελετήθηκε η αλληλεπίδραση της ηλεκτρονικής δέσμης με ρυθμούς σε δίαυλο δέσμης που έχει μεταλλικά τοιχώματα με ακανόνιστες αυλακώσεις χρησιμοποιώντας και επιφάνειες διάχυσης (diffusers). Οι διαστάσεις του διαύλου δέσμης ήταν παραπλήσιες με εκείνες του ευρωπαϊκού γυροτρονίου 170 GHz, 1 MW για τον πειραματικό αντιδραστήρα σύντηξης ITER, και πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις με χρήση του λογισμικού CST Studio Suite. Τα αριθμητικά αποτελέσματα έδειξαν σχεδόν πλήρη καταστολή των παρασιτικών ταλαντώσεων, ακόμη και στην περίπτωση τοιχωμάτων με υψηλή αγωγιμότητα. Για την επίδραση των ωμικών απωλειών και της επακόλουθης θερμικής παραμόρφωσης των τοιχωμάτων, χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο πολλαπλών πεδίων φυσικής που περιλαμβάνει ηλεκτροδυναμικές, θερμοϋδραυλικές και θερμοδυναμικές προσομοιώσεις. Οι ηλεκτροδυναμικές προσομοιώσεις έγιναν με το πακέτο λογισμικού EURIDICE, ενώ οι θερμοϋδραυλικές και θερμομηχανικές με το λογισμικό STARCCM+ από συνεργάτες του Πολυτεχνείου του Τορίνο (ENEA-PoliTo). Τόσο για την κοιλότητα του γυροτρονίου του ITER (TH1509U) όσο και για εκείνην του του γυροτρονίου 1 MW δύο συχνοτήτων (126/84 GHz) για τον πειραματικό αντιδραστήρα σύντηξης TCV (TH1510), τα αριθμητικά αποτελέσματα των προσομοιώσεων βρέθηκαν σε πολύ καλή συμφωνία με τα αντίστοιχα πειραματικά. Τέλος, μελετήθηκε ένα νέο σύστημα ψύξης με διαμήκη μικροκανάλια (mini channels), που αναπτύχθηκε από την ENEA-PoliTo σε συνεργασία με την εταιρεία Thales, για το γυροτρόνιο TH1507U (1.5 MW, 140 GHz) για τον πειραματικό αντιδραστήρα σύντηξης Wendelstein 7-X. Παρότι το νέο σύστημα παρέχει καλύτερη ψύξη, η συνολική απόδοση του γυροτρονίου μειώθηκε, σύμφωνα με την προσομοίωση, λόγω του σχήματος της θερμικής παραμόρφωσης της κοιλότητας, που επηρέασε σημαντικά τη λειτουργία της.