Optimización de la transmisión de potencia de ondas milimétricas dentro de la antena superior del sistema de calentamiento por resonancia electrónica de iter mediante el método de los elementos finitos

Resumen

El sistema de calentamiento por resonancia electrónica de ciclotrón (ECH) de ITER consta de cuatro antenas superiores y una antena ecuatorial capaces de trasmitir al plasma hasta 20 megavatios de potencia a una frecuencia de 170 gigahercios y con pulsos de hasta 3600 segundos, con el objetivo fundamental de suprimir los modos de rasgado neoclásicos, los cuales pueden desencadenar disrupciones que supongan la degradación o la pérdida del confinamiento. Los componentes de cada una de las antenas superiores del sistema ECH se pueden dividir esencialmente en los componentes cuasi-ópticos internos a la cámara de vacío y los componentes de guía de onda externos, parte de cuales suponen una prolongación del primer vacío de la maquina y constituyen el denominado sistema de primer confinamiento. Esta tesis se focalizará en los sistemas de espejos orientables M4 y en los codos angulares monobloque. Ambos sistemas tienen la función de reflejar el haz de potencia permitiendo la progresión de este a través de un sistema de espejos cuasi-ópticos, para el caso de los espejos orientables M4, o un sistema de guía de onda, para el caso de los codos angulares monobloque. Durante el año 2017, el esquema de reflexión de los haces en los espejos cuasi-ópticos internos a la cámara de vacío se vio modificado con el objetivo de reducir las pérdidas de potencia en la antena superior. Este cambio supuso que parte de los contornos de los haces cayeran fuera de la superficie reflectante de los espejos orientables M4, obligando, por tanto, a un completo rediseño de estos componentes. Por otro lado, durante el año 2019, el sistema de primer confinamiento se adaptó para garantizar el espacio necesario para la existencia de pasillos de acceso, lo que resultó en una modificación de los ángulos de conexión de las guías de onda con los monobloques. Esta nueva configuración necesitó el remodelado de los codos angulares monobloque con el objetivo de permitir la adaptación a estos nuevos ángulos. El objetivo fundamental de esta tesis se centra en la optimización del diseño de los espejos orientables M4 y de los codos angulares monobloque de modo que esto se traduzca en una mejora sustancial de la eficiencia en la transmisión de potencia de la antena superior del sistema ECH de ITER. Para ello, partiendo de un modelo geométrico, se han realizado una serie de análisis termohidráulicos y electromagnéticos con el objetivo de obtener la distribución de temperatura y las fuerzas electromotrices inducidas en los componentes de estudio, respectivamente. Estos análisis se traducen en cargas, las cuales se usan como valores de entrada en análisis mecánicos con el propósito de calcular las tensiones y deformaciones producidas por dichas cargas. De entre todas las combinaciones de carga que tienen lugar durante la vida útil de ITER, la operación normal de transferencia de potencia destaca como el escenario más relevante, ya que la evaluación de este evento determinará si el diseño, tanto de los espejos orientables M4 como de los codos angulares monobloque, cumple con los requisitos funcionales para los que se han concebido. Además, los espejos orientables M4 se han evaluado frente al evento accidental de desplazamiento vertical del plasma, ya que la proximidad de estos componentes al plasma, lo convierten en uno de los eventos accidentales más exigentes desde el punto de vista de la integridad mecánica. Por último, las tensiones calculadas en estos análisis se han comparado con los valores límite establecidos en el código de fabricación ASME a fin de validar la integridad mecánica de estos componentes. En los casos en los que no se han cumplido con los criterios especificados, ya fueran tanto funcionales como estructurales, los diferentes aspectos relativos al diseño se han modificado siguiendo un proceso interactivo hasta alcanzar dichos criterios.