Realization of the First MW-Class Gyrotron Multistage Depressed Collector

Mit steigendem Energiebedarf bietet die kontrollierte Fusion leichter Atomkerne eine vielversprechende Alternative zu fossilen Brennstoffen, die saubere und reichlich vorhandene Energie erzeugt. Im Gegensatz zu unserer Sonne sind wesentlich höhere Plasmatemperaturen erforderlich, um eine sich selbst erhaltende Fusionsreaktion bei geringerem Plasmadruck zu erreichen. Die Elektronen Zyklotron Resonanz Heizung (engl. ECRH) wird zum Aufheizen und Stabilisieren des Plasmas verwendet und basiert auf einer Kombination mehrerer parallel arbeitender Gyrotrons. In aktuellen Fusionsanlagen wie Wendelstein 7-X (W7-X) und ITER werden 10 bis 24 Gyrotrons mit einer Ausgangsleistung von 1MW eingesetzt, mit weiteren Verbesserungen in Bezug auf Anzahl und Geräteleistung in der Zukunft. ... mehrDiese Gyrotrons werden mit Kollektoren mit einstufiger Gegenspannung (Singlestage Depressed Collector: SDC) betrieben und erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 50 %. Künftige Projekte wie das DEMOnstrationskraftwerk (DEMO) werden mehr ECRHLeistung und längere Betriebszeiten erfordern, umNettoenergie insNetz zu liefern. Aufgrund des hohen Stromverbrauchs von ECRH Installationen mit vielen MW sind Fortschritte beim Gyrotron-Wirkungsgrad erforderlich. In dieser Arbeit wird der Einsatz von mehrstufigen Kollektoren (Multistage Depressed Collector: MDC) vorgeschlagen, um den Gyrotron-Wirkungsgrad von 50% auf 60% zu erhöhen, wodurch die Ausgangsleistung des Kraftwerks erhöht und die Betriebskosten gesenkt werden, was die Fusion als realisierbare Energiequelle voranbringt.

Der MDC mit E×B Drift ist der vielversprechendste Ansatz für die Trennung von Elektronenbahnen in einem Hochleistungsgyrotron. Die größten Herausforderungen bei der Entwicklung des ersten MDC für ein Gyrotron sind die Anpassung an die bestehende Technik mit einem zuverlässigen Design bei gleichzeitiger Minimierung von Kosten und Aufwand. Zu den bestehenden driftbasierten MDC Geometriekonzepten gehören Auslegungen mit einem axialen elektrischen Feld und zwei mit azimutalen elektrischen Feldern, der koaxiale und der zylindrische Ansatz. Das zylindrische Design wurde hier aufgrund seiner Einfachheit mit weniger Elementen und einem vereinfachten magnetischen Aufbau ausgewählt.

In dieser Arbeit wird der zylindrische MDC Ansatz erfolgreich optimiert und zu einem zweistufigen Prototyp Design entwickelt, um eine starke E×B Drift in einem kompakten und modularen Gehäuse zu erreichen. Eine Auslegung mit dreifach Helix wurde aufgrund seiner Kompaktheit gewählt. Dies wurde kombiniert mit geraden zylindrischen Elektroden für eine einfachere Herstellung und einem weiterentwickelten Arbeitspunkt für eine zusätzliche Größenreduzierung. Nach der empirischen Optimierung des elektromagnetischen Designs wird dieses in einer erweiterten Toleranzanalyse mit den Auswirkungen auf die elektrische Leistung validiert. Im nominalen Betriebspunkt wird ein Kollektorwirkungsgrad von 78.8% mit einem reflektierten Strom von lediglich 50mA erreicht, was einem Gesamt-Gyrotronwirkungsgrad von 64.6%entspricht. Die Anpassung an bestehende Gyrotrons am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit verschiedenen Betriebsszenarien zeigt, wie die flexible Auslegung verschiedene Versuchsaufbauten ermöglicht.

Die mechanische Konstruktion des Kurzpuls MDC Prototyps integriert Design For Manufacturing (DFM) und Design For Assembly (DFA) Prinzipien, um eine effiziente Fertigung und Montage zu gewährleisten. Der Schwerpunkt liegt auf einer zuverlässigen und robusten Auslegung, die für eine experimentelle Validierung geeignet ist. Zu den Schlüsselelementen gehören die Verwendung von standardisierten Ultrahochvakuum Dichtungssystemen und modularen mechanischen Komponenten. Die Montage des MDC sowohl in der Konfiguration für das KIT 2MW koaxiale Kavitäts Gyrotron, als auch für das W7-X Upgrade Kurzpuls Gyrotron bestätigt die Anpassungsfähigkeit und Verfügbarkeit des Systems für MDC Experimente.

Zusätzlich zum Kurzpuls MDC Prototyp werden die gleichen Prinzipien auf einen MDC für Dauerbetrieb (Continuous Wave: CW) angewandt, um einen Ausblick auf die zukünftige Forschung zu geben. Es wird gezeigt, dass die thermische Kollektorwandbelastung erfolgreich reduziert werden kann, um mit den aktuellen Kühltechniken kompatibel zu sein, während die Elektrodengröße erheblich reduziert wird. Die kleinere Elektrodengröße wird auch bei einem neuen SDC Design mit fortschrittlichem elektrischen Feld Sweeping auf der Grundlage der E×B Drift eingesetzt, um die Sweeping Frequenz deutlich zu erhöhen und Temperaturschwankungen zu minimieren.

As the global demand for sustainable energy grows, controlled fusion of light atom nuclei offers a promising alternative to fossil fuels, producing clean and abundant energy. In contrast to the fusion process in our Sun, much higher plasma temperatures are required to achieve a self-sustaining fusion reaction at the reduced plasma pressure required for magnetic confinement. The Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) is used to heat and stabilize the plasma and is based on a combination of multiple gyrotrons operating in parallel. Current fusion devices, such as Wendelstein 7-X (W7-X) and ITER, use 10 to 24 gyrotrons with an output power of 1MW in the first phase and planned upgrades in number and unit power in the future. ... mehrThese gyrotrons are operated with Singlestage Depressed Collectors (SDCs) and achieve an overall efficiency of up to 50 %. Future projects, such as the DEMOnstration power plant (DEMO), will require more ECRH power and longer operating times to provide net power to the grid. Advancements in gyrotron efficiency are required to achieve effective power generation due to the high-power consumption of ECRH installations with manyMW. This work proposes the use of Multistage Depressed Collectors (MDCs) to increase the gyrotron efficiency from 50% to 60 %, thereby increasing the output power of the plant and reducing operating costs, advancing fusion as a viable energy source.

The MDC with E×B drift is the most promising approach for the separation of electron trajectories in a high-power gyrotron. The main challenges in the development of the first MDC for a megawatt-class gyrotron are the adaptation to existing equipment with a reliable design while minimizing cost and effort. The existing E×B drift-based MDC geometry concepts include designs with an axial electric field and two with azimuthal electric fields, the coaxial and the cylindrical approach. Among all the concepts investigated, the cylindrical design is selected here due to its simplicity with fewer parts and a simplified magnetic setup, which is critical to effectively demonstrate the basic principle of electron separation.

In this work, the cylindrical MDC approach is successfully optimized and developed into a two-stage prototype design to achieve strong E×B drift in a small and modular package. A triple helix design is chosen for its advantages in compactness, combined with straight cylindrical electrodes for easier fabrication and an advanced operating point for further size reduction. After the empirical optimization of the electromagnetic design, it is validated in an extended tolerance analysis with the effects on the electrical performance. At the nominal operation point, a collector efficiency of 78.8% with a reflected current of only 50mAis achieved which correlates to a total gyrotron efficiency of 64.6 %. The adaptation of the MDC to existing gyrotrons at Karlsruhe Institute of Technology (KIT) with different operating scenarios shows how the flexible design can facilitate diverse experimental setups.

The mechanical design of the Short-Pulse (SP) MDC prototype integrates Design For Manufacturing (DFM) and Design For Assembly (DFA) principles to ensure efficient manufacturing and assembly. The focus is on achieving a reliable and robust design suitable for experimental validation. Key elements include the use of standardized ultra-high vacuum sealing systems and modular mechanical components that allow flexible adaptation to different gyrotron configurations. The assembly of the MDC, using both the KIT 2MW170GHz coaxial-cavity gyrotron and the W7-X upgrade SP gyrotron configurations, confirms the adaptability and readiness of the system for MDC experiments.

In addition to the SP MDC prototype, the same design principles are applied to an upscaled Continuous Wave (CW) MDC design approach to provide an outlook for future research in this technology. It is shown that the power loading density can be successfully reduced to be compatible with current cooling techniques, while the electrode size is significantly reduced. The smaller electrode size is also applied to a new SDC design with advanced electric field sweeping based on the E×B drift to significantly increase the sweeping frequency. The increased sweeping frequency minimizes temperature variation and thus cyclic thermal fatigue, which could result in higher acceptable power loading densities.