Parametric design of EU-DEMO limiter plasma facing components and advanced engineered materials
Author(s)
Ciula, Andrea
Date Issued
November 27, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The present doctoral research addresses the design and numerical assessment of advanced components for fusion and aerospace applications through the development of a unified parametric multiphysics finite element (FEM) framework. The work is motivated by the need for robust and versatile design tools capable of systematically exploring wide design spaces and evaluating the performance of architectured materials under complex thermo-mechanical and electromagnetic conditions.
The first part of the thesis focuses on the thermo-structural design of the DEMO limiter Plasma-Facing Components (PFCs) within the European fusion roadmap. A hierarchical parametric FEM methodology was established by integrating MATLAB automation with ANSYS APDL models. This framework enables large-scale analyses combining geometry generation, case management, and automated verification according to the SDC-IC structural design rules. The study encompasses detailed 3D simulations of tungsten lattice armours, equivalent-material 2D parametric studies for thermal and structural exploration, and conceptual design of fixation and attachment systems. The results identify key parameters governing component feasibility, demonstrate the advantages of modular support-plate solutions, and define design trends guiding future limiter development in EUROfusion.
The second part extends the methodology to the mechanical characterization of gyroid metamaterials, members of the Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) family. Three gyroid morphologies were fabricated by LCD-based additive manufacturing and tested under uniaxial compression. Numerical simulations were performed using parametric FEM models, showing excellent correlation with experiments and confirming the validity of the modelling framework. This activity represents a first validation of the parametric approach for complex architectured materials and provides a foundation for their future multiphysical characterization.
The final part demonstrates the transferability of the developed framework to a distinct engineering domain through the analysis of aerospace sandwich panels with Bézier-based metamaterial cores. A comprehensive workflow integrating APDL macros and MATLAB control was created to perform structural, thermal, and electromagnetic analyses within a unified parametric environment. The approach highlights how geometric parametrization and multiphysics modelling can be synergistically employed for the optimization of lightweight multifunctional structures.
Overall, the thesis establishes a coherent methodological platform that connects fusion engineering design with metamaterial research and multiphysics analysis. By combining automation, parametric modelling, and cross-domain adaptability, the developed framework contributes to the advancement of simulation-driven design and paves the way for future optimization and experimental validation of next-generation functional materials and components.
La presente ricerca di dottorato affronta la progettazione e la valutazione numerica di componenti avanzati per applicazioni nel campo della fusione nucleare e dell’aerospazio, attraverso lo sviluppo di un quadro unificato di analisi agli elementi finiti (FEM) parametrico e multifisico. Il lavoro nasce dall’esigenza di disporre di strumenti di progettazione robusti e versatili, in grado di esplorare sistematicamente ampi spazi di progetto e di valutare le prestazioni di materiali architetturati in condizioni termo-meccaniche ed elettromagnetiche complesse.
La prima parte della tesi si concentra sulla progettazione termo-strutturale dei Plasma Facing Components (PFC) del limitatore di DEMO, nell’ambito della roadmap europea per la fusione. È stata definita una metodologia FEM parametrica gerarchica integrando l’automazione MATLAB con modelli ANSYS APDL. Tale approccio consente analisi su larga scala che combinano generazione geometrica, gestione dei casi di carico e verifica automatizzata secondo le regole strutturali SDC-IC. Lo studio comprende simulazioni 3D dettagliate di armature in tungsteno a reticolo, analisi parametriche 2D con materiali equivalenti per l’esplorazione termica e strutturale, e la progettazione concettuale dei sistemi di fissaggio e ancoraggio. I risultati individuano i parametri chiave che governano la fattibilità del componente, dimostrano i vantaggi delle soluzioni modulari basate su support plate e delineano le tendenze progettuali che orienteranno gli sviluppi futuri dei limitatori in ambito EUROfusion.
La seconda parte estende la metodologia alla caratterizzazione meccanica di metamateriali di tipo gyroid, appartenenti alla famiglia delle Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS). Tre morfologie di gyroid sono state realizzate tramite manifattura additiva LCD-based e testate in compressione uniassiale. Le simulazioni numeriche, eseguite con modelli FEM parametrici, hanno mostrato un’eccellente correlazione con i risultati sperimentali, confermando la validità del modello e del metodo proposto. Tale attività costituisce una prima validazione dell’approccio parametrico per materiali architetturati complessi e fornisce la base per successive caratterizzazioni multifisiche.
La parte finale dimostra la trasferibilità del framework sviluppato a un dominio ingegneristico distinto, attraverso l’analisi di pannelli sandwich aerospaziali con anime metamateriali basate su curve di Bézier. È stato realizzato un workflow completo, che integra macro APDL e controllo MATLAB, per eseguire analisi strutturali, termiche ed elettromagnetiche in un ambiente parametrico unificato. L’approccio evidenzia come la parametrizzazione geometrica e la modellazione multifisica
possano essere impiegate in modo sinergico per l’ottimizzazione di strutture leggere e multifunzionali.
Nel complesso, la tesi stabilisce una piattaforma metodologica coerente che connette la progettazione ingegneristica per la fusione con la ricerca sui metamateriali e l’analisi multifisica. Combinando automazione, modellazione parametrica e adattabilità inter-settoriale, il framework sviluppato contribuisce all’avanzamento della progettazione guidata dalla simulazione, aprendo la strada a futuri studi di ottimizzazione e validazione sperimentale di materiali e componenti funzionali di nuova generazione.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for Energy and Environment
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5.92 MB
Format
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