RF System_1

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.
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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.
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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.
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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
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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]
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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 .
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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
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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
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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.
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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.
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