Analyses and experimental tests for the development of the Quench Protection System for the superconducting magnets of the Satellite Tokamak JT-60SA

The energy production by fusion in magnetically confined plasmas is an ambitious and important goal, which could contribute to solve the problem of a sustainable energy source for mankind. Present available technologies do not allow for the construction of a commercial thermonuclear fusion reactor, and important progresses are needed toward the realization of a demonstrative fusion reactor, named DEMO. In this direction the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) project has been supported by the international community. However, in Japan and Europe it has been recognized that not all the necessary information for the development of DEMO can be gathered by ITER alone and that other complementary facilities would accelerate the development of magnetic fusion. Consequently, a Japanese-European Broader Approach Agreement has been signed, which includes the joint design, construction and exploitation of the Satellite Tokamak JT-60SA. The JT-60SA maximum plasma current is foreseen to be 5.5 MA, with a flat top duration up to 100 s thanks to the additional heating provided by neutral beam injection and Electron Cyclotron Radio Frequency (ECRF). JT-60SA is characterized by the employment of superconducting toroidal and poloidal magnets, which require the installation of a protection system, able to rapidly remove the magnet current in case of loss of superconductive status (quench). Italian National Research Council (CNR) acting through Consorzio RFX is in charge of designing and providing the Quench Protection Circuits (QPC) for the superconducting magnets of JT-60SA. The design of QPC requires the definition of the maximum current that under different conditions can flow in the superconducting magnets. The JT-60SA poloidal circuit is quite complex due to the mutual coupling among the superconducting magnets and the other active and passive conductors, and it is possible that in case of rapid variation of current in one of the circuits, overcurrent is induced in other mutual coupled circuits. Therefore, to derive the information needed for the QPC design, a complete model of the circuits has been set up, capable of taking into account all the mutually coupled elements. The model has been used to analyze plasma disruption and QPC intervention in a large variety of conditions, to identify the possible magnet overcurrents. After having defined the ratings of the QPC, it has been possible to develop a conceptual design for these devices, which core is represented by a dc Circuit Breaker able to commutate the current into a dump resistor. It is difficult to find a single device able to carry in steady state high values of dc current with reduced power losses and then to safely interrupt it with a reapplied voltage of some kilo-volts. Therefore, large emphasis is laid on the feasibility study of a hybrid mechanical-static dc Circuit Breaker, based on a mechanical By-Pass Switch connected in parallel to a static circuit breaker composed of Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT). The integration of mechanical and static devices allows combining the benefits of both employed technologies. The sizing of the static part of the circuit breaker has been carried out considering two different types of IGCTs; a comparison with the sizing obtained with the use of a fully static circuit breaker has been performed, proving the saving in terms of static devices’ number and power dissipation allowed by the hybrid solution. The proposed hybrid mechanical-static circuit breaker represents an innovative solution never employed for the interruption of high dc current values, thus it needs to be carefully investigated both in terms of feasibility and reliability. One of the main feasibility issues, regarding the possibility of turn-on of many paralleled IGCTs with low voltage applied, has been positively faced by means of experimental tests, proving the practicability of the proposed solution. In order to gain experience on the current commutation from the mechanical BPS to the Static CB, and to assess its reliability, a prototype of the QPC Hybrid CB has been developed and tested at Consorzio RFX. More than one hundred current commutations and interruptions up to 7 kA have been successfully performed with the prototype, and the positive experimental results have proven the feasibility and the reliability of the hybrid mechanical-static solution proposed for the QPC circuit breaker of JT-60SA.

La produzione di energia per mezzo della fusione termonucleare in plasmi confinati magneticamente è un obiettivo ambizioso e importante, che potrebbe contribuire a risolvere il problema delle fonti energetiche per l’umanità. Le tecnologie attualmente disponibili non permettono ancora la realizzazione di un reattore a fusione commerciale, e notevoli progressi sono necessari per la costruzione di un reattore a fusione dimostrativo, denominato DEMO. In questa direzione il progetto del reattore sperimentale internazionale (ITER) è stato promosso e supportato dalla comunità internazionale. Tuttavia in Giappone e in Europa è stato riconosciuto che non tutte le informazioni necessarie per lo sviluppo di DEMO possono essere ottenute solamente da ITER, e che altre strutture complementari accelererebbero lo sviluppo della fusione. Conseguentemente è stato stipulato un accordo giapponese – europeo (Broader Approach Agreement) che include la progettazione, la costruzione e l’operazione congiunta del Tokamak Satellite JT-60SA. La massima corrente di plasma di JT-60SA sarà di circa 5.5MA, con una durata di flat-top di circa 100s, grazie all’ignizione di potenza per mezzo di neutral beam e radio frequenza ciclotronica elettronica (ECRF). L’esperimento JT-60SA è caratterizzato dall’impiego di magneti superconduttori toroidali e poloidali, che richiedono l’installazione di un sistema di protezione atto a rimuovere rapidamente la corrente dai magneti in caso di perdita dello stato di superconduttività (quench). Il Consiglio Nazionale della Ricerca (CNR) italiano, per mezzo del Consorzio RFX, ha il compito di progettare e fornire i circuiti di protezione in caso di quench (QPC) per i magneti superconduttori di JT-60SA. La progettazione delle QPC richiede la definizione della massima corrente che può circolare nei magneti superconduttori in diverse condizioni. Il circuito poloidale di JT-60SA è particolarmente complesso, anche a causa dei mutui accoppiamenti tra i magneti superconduttori e gli altri conduttori attivi e passivi, ed è possibile che, in caso di variazione rapida della corrente in uno dei circuiti, si manifestino sovracorrenti indotte negli altri circuiti mutuamente accoppiati. Per ottenere le informazioni utili alla progettazione delle QPC, è stato necessario sviluppare un modello completo dei circuiti, in grado di tenere in considerazione tutti gli elementi mutuamente accoppiati. Il modello è stato utilizzato per analizzare la disruzione di plasma e l’intervento delle QPC in numerose e varie condizioni, per determinare le possibili sovracorrenti nei magneti. Dopo aver definito le specifiche delle QPC, è stato possibile sviluppare un progetto concettuale di questi dispositivi, il cui elemento principale è rappresentato da un interruttore in corrente continua in grado di commutare la corrente in una resistenza di scarica. Non è semplice individuare un singolo dispositivo in grado di portare un’elevata corrente dc in steady state con ridotte perdite di potenza e di essere poi affidabile nell’effettuare un’interruzione di corrente con tensione applicata di alcuni kilo-volts. Di conseguenza è dedicato ampio spazio allo studio di fattibilità di un interruttore dc ibrido meccanico-statico, basato sull’impiego di un interruttore meccanico di by-pass (BPS) collegato in parallelo a un interruttore statico composto da Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT). L’integrazione di dispositivi meccanici e statici permette di combinare i benefici di entrambe le tecnologie impiegate. Il dimensionamento della parte statica dell’interruttore è stato eseguito prendendo in considerazione due diversi tipi di IGCT; si è operato un confronto con il dimensionamento ottenuto nel caso di utilizzo di un interruttore completamente statico, dimostrando così il risparmio ottenuto con la soluzione ibrida in termini di numero di componenti statici e di dissipazione di potenza. L’interruttore ibrido meccanico-statico proposto rappresenta una soluzione innovativa mai utilizzata per l’interruzione di elevate correnti continue, di conseguenza deve essere attentamente analizzato sia in termini di fattibilità che di affidabilità. Uno dei principali aspetti concernenti la fattibilità, ovvero la possibilità di accendere più IGCT collegati in parallelo con una bassa tensione applicata, è stato affrontato con successo per mezzo di test sperimentali che hanno dimostrato la praticabilità della soluzione proposta. Per acquisire esperienza sulla commutazione di corrente tra il BPS meccanico e l’interruttore statico, e per valutarne l’affidabilità, si è sviluppato e testato un prototipo dell’interruttore ibrido per le QPC presso il Consorzio RFX. Con questo prototipo sono state eseguite con successo più di cento commutazioni e interruzioni di corrente fino al valore di 7 kA, e i positivi risultati sperimentali hanno dimostrato la fattibilità e l’affidabilità della soluzione ibrida meccanico-statica proposta per l’interruttore delle QPC di JT-60SA.