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WP-6: Laboratory of High Voltage insultation in fusion devices

UNITÀ OPERATIVA: ISTP-Padova
WP LEADER: NICOLÒ MARCONATO

La conoscenza del meccanismo fisico che governa il breakdown nel vuoto rimane ancora una questione aperta, nonostante decenni di attività di ricerca siano stati dedicati a questo argomento. Questo WP propone la creazione di un laboratorio avanzato per lo studio dei problemi di isolamento elettrico nelle macchine a fusione. I principali argomenti sono l'isolamento a tensioni alte e molto alte nel vuoto e nei gas pressurizzati, composti da due attività: il rinnovamento e l'aggiornamento delle strutture dell'High Voltage Padova Test Facility (HVPTF) per lo studio dell'isolamento sotto vuoto in sistemi ad alta tensione e la realizzazione di una nuova caratteristica dell'HVPTF per lo studio delle proprietà dell'isolamento elettrico dei gas pressurizzati in sistemi ad alta tensione.

OBIETTIVI

I risultati più rilevanti attesi da questo WP sono:

  •  Migliorare le attuali strutture sperimentali del VHPTF al fine di proporre, esplorare e identificare strategie innovative necessarie per soddisfare i requisiti DC di 1 MV
  • Consolidare un'esperienza multidisciplinare che raggruppa conoscenze nelle aree di ingegneria elettrica, metallurgia, fisica applicata e tecnologia del vuoto, al fine di investigare il ruolo svolto dal materiale dell'elettrodo, dalla geometria, dalla finitura superficiale e dalle condizioni di pressione sulle prestazioni isolanti elettriche degli acceleratori di particelle per il riscaldamento dei plasmi di fusione, così come di tutte le applicazioni in cui è necessario sostenere l'isolamento ad alta tensione in condizioni di bassa pressione.
  • Indagare sulle statistiche di rottura per ottimizzare la procedura di condizionamento di tenuta di tensione e per convalidare e affinare i modelli numerici specificamente implementati, che devono essere testati in condizioni rilevanti vicine a quelle attese negli ambienti di fusione.
  • Migliorare la conoscenza del meccanismo fisico che governa la rottura del vuoto, supportando lo sviluppo e la convalida di nuovi modelli fisici.
  • Testare sistemi diagnostici specifici, come rilevatori di fotoni, così come componenti appositamente progettati per sistemi isolanti a vuoto, come interruttori a scintilla o isolatori di supporto.
  • Progettazione e realizzazione di una struttura a grandezza naturale dedicata allo studio delle proprietà isolanti del gas pressurizzato in condizioni HVDC, con uno studio dettagliato dei fenomeni coinvolti nei sistemi HVDC isolati a gas, come l'accumulo di portatori di carica sulle interfacce dielettriche, con convalida e affinamento di modelli numerici avanzati sviluppati appositamente per la corretta simulazione dei fenomeni fortemente non lineari coinvolti.
  • Acquisire esperienza dalla sperimentazione su gas isolanti alternativi a SF6, come miscele di gas composte da sostanze naturali (N2, O2, CO2) o sostanze sintetiche (ad es. fluoronitrili o fluorochetoni).

Background

L'HVPTF è stato utilizzato per testare elettrodi in acciaio inossidabile isolati in vuoto ad alta e media pressione e i risultati sperimentali sono stati utilizzati come riferimento per un codice probabilistico in grado di prevedere la massima tensione di mantenimento di un sistema isolato con una geometria di elettrodo generica. La progettazione e l'installazione di un nuovo sistema composto da una camera da vuoto migliorata, cavi e passanti aggiornati affrontano uno dei principali problemi osservati dopo diversi anni di attività nell'HVPTF, ovvero la affidabilità del sistema rispetto agli archi che solitamente si verificano durante le campagne sperimentali. Inoltre, in molte applicazioni dall'industria alla tecnologia della fusione, dove è necessario trasmettere alta potenza in linee DC ad alta tensione con un alto livello di compattezza e affidabilità, la scelta di linee isolate a gas (GIL) offre diversi vantaggi per alimentare i sistemi ad alta potenza in impianti per la fusione (capacità di trasmissione più elevate, bassi perdite e maggiori capacità di sovraccarico rispetto ad altre tecnologie di cavo). Se la tecnologia GIL in AC è matura e ampiamente adottata nelle applicazioni commerciali, la tecnologia GIL HVDC deve affrontare vari problemi ancora irrisolti, come l'accumulo di cariche sui dielettrici, che può portare a una diminuzione della tensione di flashover, richiedendo la comprensione dei processi fisici e dei fattori di influenza sulla distribuzione del campo elettrico. La progettazione, la realizzazione e l'installazione di un nuovo sistema composto da una vasca a pressione di dimensioni reali con un corretto isolamento ad aria-gas, alimentazioni elettriche HV fino a 500 kV, diagnostiche adatte per il monitoraggio dei gas e la misura delle proprietà elettriche, con un appropriato sistema di acquisizione e controllo affrontano questo problema rilevante.

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CONTATTI

COMUNICAZIONE E DIVULGAZIONE:
comunicazione@istp.cnr.it

WP leader:
nicolo.marconato@igi.cnr.it

 

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