El sistema de Radiofrecuencia de IFMIF M. Weber, P. Mendez, I. Kirpitchev, M. A. Falagan, A. Ibarra Laboratorio Nacional de Fusión, CIEMAT 1. Introducción: IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility) será una instalación complementaria a ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). En ITER se pretenden determinar los aspectos de diseño y operación de futuros reactores de fusión, sin embargo su modo de trabajo no permitirá validar los materiales expuestos a irradiación a los niveles que deberán soportar en el interior de un futuro reactor. Para suplir esta necesidad se ha concebido IFMIF, cuyo objetivo es someter las muestras de distintos materiales a una intensa irradiación durante periodos de tiempo suficientes como para que puedan considerarse aptos para soportar las condiciones de un reactor. Esta instalación consistirá en dos aceleradores de deuterones de 40 MeV incidiendo en un blanco de litio líquido. En estas condiciones se produce una reacción litio-deuterio que libera neutrones con un espectro de energías apropiado para validar los materiales, que estarán expuestos a las reacciones de fusión deuterio-tritio que se producirán en futuros reactores. PIE Facilities Test Modules Inside Test Cell Ion Source RFQ High-Energy Beam Transport Li Target 0 20 40 m Li Loop Fig.1. Vista general de la instalación. [2] Para ser efectivo en el periodo de tiempo previsto y no suponer un retraso para el desarrollo de los primeros reactores, IFMIF deberá alcanzar niveles inéditos en dos parámetros fundamentales. Por un lado, una alta corriente de deuterones que deberá alcanzar los 125 mA en cada uno de los dos aceleradores y por otro lado, un altísimo nivel de disponibilidad exigido que rondará el 70% para toda la instalación, el 88% para el acelerador y alrededor de un 95% para el sistema de radiofrecuencia. Ambos parámetros fundamentales constituyen los principales retos del proyecto y a su vez dan lugar a las grandes dificultades con las que nos enfrentamos. En lo concerniente al sistema de radiofrecuencia, estos retos se traducen en la necesidad de unos altísimos valores de disponibilidad para cada uno de sus componentes, así como un sistema de control capaz de soportar las variaciones de carga que puede provocar la elevada corriente que discurrirá por el acelerador. 8 de Junio de 2007 1 Con el fin de garantizar la viabilidad del proyecto, se ha propuesto la realización de un prototipo de IFMIF que se denominará EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities), y que se instalará en Rokkasho, al norte de Japón. Esta fase del proyecto consiste, entre otros elementos, en la construcción de una primera parte de uno de los dos aceleradores de IFMIF. Es prototipo estará formado por la fuente de iones, una cavidad aceleradora tipo RFQ (Radiofrequency Quadrupole) y una cavidad aceleradora tipo DTL (Drift Tube Linac). Estos tres elementos formarán parte, si son validados, del acelerador definitivo. Para alimentar las dos cavidades aceleradoras del prototipo se requerirán tres cadenas de radiofrecuencia de 1 MW y 175 MHz. Dos se aplicarán al RFQ y la restante al DTL. Injector 40 kW 3 segment RFQ MS 950 kW RGDTL Tank #1 678 kW DTL Tank #2 646 kW DTL Tank #3 692 kW DTL Tank #4 656 kW DTL Tank #5 654 kW DTL Tank #6 631 kW DTL Tank #7 670 kW DTL Tank #8 630 kW DTL Tank #9 660 kW DTL Tank #10 534 kW 40 kW VALIDATION : EVEDA ACCELERATOR Fig.2. Esquema general del acelerador. En rojo, los elementos que se desarrollarán para la fase EVEDA. Por cortesía de THALES ELECTRON DEVICES.[1] La fase de validación de la ingeniería de IFMIF es un proyecto incluido dentro del “Acuerdo Bilateral entre EU y Japón para el Enfoque Ampliado para la Fusión”, en el que participa España con una contribución significativa, siendo entre otras cosas, el país responsable del desarrollo de las tres cadenas de radiofrecuencia. 2. Descripción del sistema. El sistema de radiofrecuencia de IFMIF, tendrá como componentes principales doce cadenas de radiofrecuencia de 1 MW de potencia que trabajarán en onda continua a una frecuencia de 1 MHz y que tendrán que alcanzar valores de estabilidad en amplitud de un 1% y en fase de ±1º. En el caso de la fase EVEDA, como hemos comentado, solamente se desarrollarán las tres primeras cadenas. Ver Fig. 2. Tanto la fase como la amplitud de la señal que se aplica a cada una de las cavidades aceleradoras, determina el momento en que son acelerados los iones y la aceleración que se les aplica. Es obvio que cualquier desviación que se produzca en la fase o la amplitud de la señal, provocará dispersiones en el haz que darán lugar a pérdidas de potencia y a un mal funcionamiento. De ahí el hecho de que los márgenes de regulación sean tan estrictos, obligando a la implementación de un sistema de regulación de radiofrecuencia con parámetros de precisión y velocidad muy altos. Para el trasiego de esa cantidad de energía de forma continua, con alta disponibilidad y con los niveles de estabilidad y precisión requeridos, las alternativas tecnológicas disponibles se reducen notablemente. El diseño de referencia actualizado a la fecha de arranque de proyecto, se basa en la utilización de una fuente de radiofrecuencia cuya señal será amplificada por una cadena de amplificadores de tres etapas. Para la implementación de las etapas de amplificación se propone el uso de tecnología de válvulas termoiónicas, en este caso, de tipo tetrodo para las dos primeras etapas y de tipo Diacrodo® para la etapa de salida de 1 MW. Este tipo de tecnología se ha elegido frente a otras opciones como los amplificadores de estado sólido basados en tecnología MOSFET o las que utilizan otros dispositivos como klystrons o IOT’s (Inductive Output Tube) por su robustez y su capacidad para trasegar estos niveles de potencia, de manera estable. 8 de Junio de 2007 2 En la actualidad, se plantea la posibilidad de sustituir la primera etapa de amplificación de unos 3KW de potencia de salida, por un amplificador basado en tecnología de estado sólido. Asimismo, se propone estudiar la posibilidad de que, en la fase definitiva de IFMIF, la segunda etapa de amplificación de 70 KW de salida, también se desarrolle en estado sólido. Para la etapa de amplificación de 1 MW, actualmente no es viable alcanzar esa potencia con un amplificador basado en tecnología de estado sólido y aunque sí parece que sería posible en un futuro próximo, probablemente llegaría tarde para IFMIF. En la fig.3 puede verse un esquema simplificado de los elementos que componen cada una de las cadenas de radiofrecuencia que se implementarán en la fase EVEDA. Fig.3. Esquema simplificado de una cadena de radiofrecuencia De las tres etapas de amplificación, sabemos que las dos de mayor potencia utilizarán tecnología de válvulas termoiónicas, mientras que para la de menor potencia (2,5-3 KW), a la fecha de cierre de esta ponencia, aún se están valorando ambas opciones. [3]. Una etapa de amplificación basada en válvulas termoiónicas, consta de los siguientes elementos principales: Ver Fig.4. a. b. c. d. e. Válvula termoiónica Resonador de entrada Resonador de salida Fuente de alimentación de ánodo Fuente de alimentación de rejilla de pantalla f. Fuente de alimentación de rejilla de control g. Fuente de alimentación de filamentos Fig.4. Fuentes de alimentación requeridas por un tetrodo. A estos elementos se añadirán las correspondientes protecciones, el sistema de control y el sistema de refrigeración por agua. 8 de Junio de 2007 3 Por otro lado, la línea de transmisión que une la salida de cada cadena amplificadora con los acopladores de entrada de cada cavidad aceleradora (RFQ o DTL), consta de los siguientes elementos: (Ver fig.5). h. i. j. k. Línea Circulador Carga de agua Repartidor CAVIDAD DEL AMPLIFICADOR CIRCULADOR REPARTIDOR CARGA DE AGUA Fig.5 Esquema de línea de transmisión de 1 MW, 175 MHz, c.w. A continuación se describen los distintos componentes del sistema. a. Válvula termoiónica: En la actualidad el uso de válvulas termoiónicas está relegado a aplicaciones de gran potencia en las que la tecnología de estado sólido u otros dispositivos de vacío más modernos, como klystrons, IOT’s o magnetrones aún no sean competitivos. El tetrodo, es una válvula termoiónica con cuatro electrodos a saber, ánodo, cátodo, rejilla de pantalla y rejilla de control. Su robustez y la capacidad de operar convenientemente a este nivel de frecuencia, lo convierten en el componente idóneo para esta aplicación. En el caso del amplificador de 1 MW de potencia, ni siquiera los más potentes tetrodos convencionales alcanzan las especificaciones requeridas. Por este motivo, se propone la utilización de un tetrodo modificado por la empresa THALES, ubicada en Francia y cuya denominación comercial es DIACRODO®. Ver Fig. 6 Fig.6. Fotografía del DIACRODO®. Cortesía de THALES ELECTRON DEVICES 8 de Junio de 2007 4 Este dispositivo es capaz de alcanzar 1 MW de potencia a 175 MHz, cumpliendo la especificación del sistema en cuestión. En la fig.7. podemos ver un corte del DIACRODO®, donde se puede observar la disposición interna de las distintas rejillas, así como los canales de refrigeración b. c. d. e. f. g. h. Fig.7. Corte esquemático del DIACRODO®. Cortesía de THALES ELECTRON DEVICES. b. Resonador de entrada Este componente se integra junto al resonador de salida y a los elementos auxiliares de filtrado y del circuito de neutralización del amplificador, en lo que llamamos cavidad resonante del amplificador. Tiene la función de acoplarse con la entrada de radiofrecuencia proveniente de la etapa anterior, resonando a la frecuencia nominal. Su circuito equivalente sería el de un resonador RLC. En la fig. 8 se aprecia el conjunto de la cavidad resonante del DIACRODO®, en la que el resonador de entrada corresponde con la parte inferior y el de salida abarca la parte superior y la parte derecha del gráfico. Fig. 8. Vista en corte de una cavidad resonante diseñada para el DIACRODO@ e instalada en el Rodotron TT1000® por la empresa IBA.[4] 8 de Junio de 2007 5 c. Resonador de salida. Del mismo modo que el resonador de entrada, el de salida también forma parte de la cavidad resonante del amplificador. Su función es acoplar la salida de radiofrecuencia del amplificador a la línea de transmisión que se dirige a la etapa siguiente del amplificador o bien a la carga si es que se trata de la última etapa de amplificación. Su circuito equivalente también sería el de un resonador RLC. d. Fuente de alimentación de ánodo. Se trata de la fuente que aporta la potencia al amplificador. En el caso de la alimentación del ánodo de la etapa de 1 MW, la fuente deberá tener una potencia instalada de más de 2 MW, dado que le rendimiento máximo del amplificador es del 60%, teniendo en cuenta los consumos auxiliares. El ánodo debe alimentarse con alta tensión y en el caso de las dos últimas etapas de amplificación, alta potencia. La fuente más crítica del sistema será la del ánodo de la última etapa, que aportará alta potencia a una tensión DC regulable entre 12KV y 18 KV. Para el desarrollo de las fuentes de ánodo, se barajan dos posibles esquemas básicos. En la fig. 9 puede verse el esquema de fuente de tensión regulada de una sola etapa. Fig.9. Esquema de una fuente de alta tensión regulada, de una sola etapa. En la fig. 10 se presenta el esquema de una fuente de tensión regulada por etapas. Fig.10. Esquema de una fuente de alimentación regulada por etapas . 8 de Junio de 2007 6 La elección entre ambos tipos de fuentes dependerá de la capacidad que tenga cada una para alcanzar los parámetros exigidos por la carga, que en este caso será el amplificador. Teniendo en cuenta las características de este proyecto, los parámetros más relevantes para diferenciar ambos casos son el rizado de salida y la velocidad de regulación. El rizado requerido para un correcto funcionamiento de este tipo de amplificador es de cómo máximo un 2%. Por su parte, debido a la alta velocidad de respuesta de este tipo de amplificadores, las variaciones en la carga pueden ser muy bruscas, siendo necesaria una regulación muy rápida. En ambos casos, la fuente por etapas ofrece ventajas. Por un lado, este tipo de fuente compuesta por una conexión en serie de varias fuentes de menor tensión ofrece un rizado menor, lo que permite que no sea necesario instalar un filtro a la salida. La fuente de una sola etapa, puede alcanzar rizados similares incorporando un filtro, sin embargo, esto provoca problemas por la energía que acumula el filtro y que en caso de que se produzca una falta en la carga se disipará en los elementos de protección (como el crowbar) y en la propia carga. A pesar de las ventajas que ofrece la fuente de alimentación por etapas, tiene el inconveniente de su mayor coste y menor robustez. La fuente definitiva, se elegirá buscando un compromiso técnico-económico entre ambas soluciones. e. Fuente de alimentación de rejilla de pantalla La rejilla de pantalla debe ser alimentada a una tensión de unos 1500 V con polaridad positiva. f. Fuente de alimentación de rejilla de control La rejilla de control, se alimentará con una tensión fija del orden de 350 voltios con polaridad negativa. El valor asignado a cada una de estas dos fuentes variará en función del punto de trabajo deseado para la válvula termoiónica. Su importancia viene determinada por la siguiente fórmula: I k K (Vc Vp p Vb b ) 3 2 Donde: I k = Corriente en el cátodo Vc = Tensión en la rejilla de control Vp = Tensión en la rejilla de pantalla Vb = Tensión en el ánodo p = Factor de amplificación de pantalla b = Factor de amplificación del ánodo K = Constante que depende del tamaño de la válvula. A la vista de esta fórmula y teniendo en cuenta que el factor de amplificación del ánodo es muy superior al de la pantalla, se deduce que la influencia de la tensión de ánodo en la corriente de cátodo, es muy inferior a la influencia de la tensión de pantalla que a su vez, es similar a la de la tensión de la rejilla de control. De todo esto, podemos deducir que tanto un rizado bajo como una alta estabilidad de las fuentes de las rejillas son cruciales para mantener estable el punto de trabajo y con ello el 8 de Junio de 2007 7 sistema. Estas dos fuentes, aunque de mucha menor entidad que la de ánodo, deben tener unas excelentes características de regulación. g. Fuente de alimentación de filamentos: Esta fuente tiene como misión alimentar los filamentos cuya energía provoca la excitación de los electrones del cátodo. Su estabilidad está relacionada con la emisividad del cátodo, y consecuentemente con el correcto funcionamiento de la válvula. h. Línea de transmisión: La línea de transmisión, propiamente dicha, comprende los tramos que discurren entre los distintos elementos singulares que trabajan en radiofrecuencia. La parte más importante es la que trasiega la potencia desde la salida de la última etapa de amplificación hasta el acoplador de entrada las cavidades del acelerador. En esta parte existen varios tramos que unen los distintos elementos singulares. En primer lugar, un tramo unirá la salida del amplificador con la entrada del circulador. A su vez sendos tramos unirán las salidas del circulador con el “splitter” o repartidor por un lado y con la carga de agua por el otro. Por último, dos tramos enlazarán en paralelo al repartidor con los acopladores de las cavidades del acelerador. La línea a utilizar es uno de los elementos complejos y novedosos del sistema. Por su alta potencia requerirá refrigeración. Lo habitual en otros aceleradores de alta potencia es utilizar guías de onda que constan de un único conductor fácilmente refrigerable desde el exterior. En este caso, sin embargo, dada la relativamente baja frecuencia del sistema, se requeriría una guía de onda con una sección muy elevada, en torno a 800x400mm. Esta sección es viable, pero añade el problema de su elevado peso y de el tamaño del agujero que hay que hacer a la cámara blindada del acelerador para permitir que ésta penetre en él, con el consiguiente riesgo de fuga de neutrones, que por otra parte se puede solucionar introduciendo parte de la guía de ondas en un blindaje de agua. La otra opción es la de utilizar una línea coaxial, en la que por su longitud y potencia trasegada, se requeriría refrigerar el conductor interior. Dada la complejidad que esto conlleva y los efectos que sobre el campo electromagnético pueden tener singularidades de este tipo, se requeriría una entrada de refrigeración al conductor interior que habría de introducirse en los cálculos electromagnéticos del sistema, complicando de este modo el diseño y rebajando las tolerancias de fabricación. Nuevamente, la alta exigencia del prototipo, obliga a adoptar la solución que permita un mejor compromiso entre el rendimiento y las complicaciones de fabricación y mantenimiento. i. Circulador: A causa de la alta potencia con la se trabajará en este sistema, es necesario proteger al amplificador de un posible desacople de impedancias entre la carga y la línea de transmisión, que provocarían una reflexión de potencia capaz, a estos niveles, de destruir el DIACRODO®. Con este objetivo se introducirá un circulador electromagnético que desviará la potencia reflejada hacia una carga de agua. j. Carga de agua: Este elemento tiene como misión dispar la energía reflejada por el circulador. k. Repartidor: La entrada a la cavidad del acelerador se realizará por medio de varios acopladores, cuyo número exacto está por determinar. Para dividir la línea de transmisión en varios caminos se utilizarán repartidores. 8 de Junio de 2007 8 3. Conclusiones. El sistema de radiofrecuencia de IFMIF y consecuentemente el que se prevé implementar como prototipo en la fase EVEDA, tiene una serie de características que lo hacen único en el mundo y que consecuentemente complican su desarrollo obligando a la utilización de técnicas que no se han ensayado anteriormente. Para empezar, la fuente de alimentación de ánodo de la última etapa de potencia, se encuentra en el límite de la tecnología al tener que conjugar una serie de características, que individualmente no suponen un gran reto, pero que todas juntas dificultan de manera importante el diseño. Se requiere una fuente de alta tensión, con alta potencia, con bajo rizado, con mucha estabilidad y con mucha velocidad de respuesta, ya que los tetrodos son capaces de establecer y desconectar la carga en unos pocos microsegundos. En segundo lugar, el nivel de potencia al que se requiere que trabaje el amplificador, se da en muy poco dispositivos en el mundo y en menos aún, se requiere funcionamiento en onda continua. A esto habrá que añadir las dificultades que ofrece trabajar con una carga como la que va a representar un acelerador con una corriente iónica tan alta como la que tendrá IFMIF. Esto multiplica la problemática referida a la velocidad de establecimiento de potencia, las fluctuaciones en el acoplamiento de impedancias y en consecuencia los niveles de potencia reflejada. El rendimiento del amplificador y los trabajos que se realizarán para intentar aumentarlo, suponen otro reto, teniendo en cuenta el enorme consumo energético que va a tener esta instalación. En cuanto a la línea de transmisión que, como hemos dicho, presenta una serie de problemas concernientes a la gran potencia que se transmitirá, también deberá soportar y solucionar los problemas de desacoplo de impedancias y por añadido la problemática de los neutrones que viene dada por el hecho de acelerar deuterones. Por otro lado, las características del acelerador, obligan a unos parámetros de estabilidad y precisión en la alimentación, que a estos niveles de potencia resultan muy complicados. En este sentido, el sistema de regulación de radiofrecuencia se enfrentará al reto de alcanzar un compromiso entre velocidad de respuesta y nivel de oscilación, ya que hay una gran diferencia entre la potencia de control de algunos vatios y la potencia de salida de 1 MW. Por último, se presenta el añadido de la necesidad de diseñar un sistema de alta disponibilidad, en niveles que no se exigen actualmente a dispositivos experimentales de este tipo. En general se trata de un proyecto que supone un reto como conjunto y también individualmente en cada uno de sus subsistemas. 4. Bibliografía: [1] THALES DIACRODE. Christian Robert. 1st EU-JA Design Review Meeting. Saclay.8 March 2007 [2] Comprehensive Design Report.. IFMIF International Team. December. 2003 [3] IFMIF-EVEDA RF system M. Weber et al. 1st EU-JA Design Review Meeting. Saclay.8 March 2007 [4] Final power amplifier calculations for IFMIF. Michel Abs. IBA. December 2004. 8 de Junio de 2007 9