Numerical models for high voltage components in gas-insulated systems for fusion reactors

High Voltage Direct Current Gas-Insulated Systems (HVDC-GIS) are fundamental components of the electrical infrastructure of modern nuclear fusion facilities, particularly in the power supply systems of Neutral Beam Injectors (NBIs). These systems operate under demanding conditions characterized by very high direct-current voltages, complex electric field distributions, charge accumulation phenomena, and radiation-induced effects that significantly influence the performance and reliability of the insulation system. This thesis investigates the numerical modelling of HVDC gas-insulated components using the software COMSOL Multiphysics. The modelling approach is based on the physical phenomena governing electric fields in dielectric media, including the Electro-Quasistatic (EQS) approximation, surface and space charge accumulation, Radiation-Induced Conductivity (RIC), and the Drift-Diffusion-Reaction (DDR) model. These models provide the theoretical basis for analysing the behaviour of HVDC insulation systems operating in fusion environments. Finally, different numerical modelling approaches are presented and compared in terms of their applicability, physical accuracy, and computational complexity. The results provide a better understanding of the behaviour of HVDC gas-insulated systems under DC operating conditions and support the numerical analysis of high-voltage components for fusion applications.

I sistemi ad alta tensione isolati in gas rappresentano componenti fondamentali dell'infrastruttura elettrica dei moderni impianti per la fusione nucleare, in particolare dei sistemi di alimentazione dei iniettori di fasci di particelle neutre. Tali sistemi operano in condizioni particolarmente esigenti, caratterizzate da tensioni continue molto elevate, distribuzioni complesse del campo elettrico, fenomeni di accumulo di carica ed effetti indotti dalla radiazione, che influenzano in modo significativo le prestazioni e l'affidabilità del sistema di isolamento. La presente tesi analizza la modellazione numerica di componenti HVDC isolati in gas mediante il software COMSOL Multiphysics. L'approccio di modellazione si basa sui fenomeni fisici che governano il comportamento dei campi elettrici nei mezzi dielettrici, tra cui l'approssimazione Electro-Quasistatic (EQS), i fenomeni di accumulo di carica superficiale e volumetrica, la conduttività indotta da radiazione e il modello Drift-Diffusion-Reaction (DDR). Tali modelli costituiscono la base teorica per l'analisi del comportamento dei sistemi di isolamento HVDC operanti in ambienti destinati alla fusione nucleare. Infine, vengono presentati e confrontati diversi approcci di modellazione numerica in termini di applicabilità, accuratezza fisica e complessità computazionale. I risultati consentono una migliore comprensione del comportamento dei sistemi HVDC isolati in gas in condizioni di funzionamento in corrente continua e supportano l'analisi numerica di componenti ad alta tensione destinati ad applicazioni per la fusione nucleare.