Stellarator applications of topological optimization
Author(s)
Del Nero, Simone
Date Issued
November 27, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The global effort to decarbonize energy production has placed growing emphasis on the development
of clean and sustainable alternatives to fossil fuels. Among these, nuclear fusion stands out
as a promising long-term solution, offering the potential for virtually limitless and carbon-free
energy. Magnetic confinement devices, such as tokamaks and stellarators, represent the most
advanced pathway toward practical fusion power. In these systems, powerful magnetic fields are
used to confine the plasma, preventing it from coming into contact with the reactor walls and
enabling the conditions required for sustained fusion reactions.
To achieve economically viable fusion power, reactor designs must operate at high energy gain
(Q), which is strongly correlated with either increasing the reactor size, as in the International
Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), or increasing the magnetic field strength in the
confinement system. Most current research efforts are focused on the second approach, which
is driving the development of high-field superconducting magnets capable of sustaining extreme
mechanical loads and irradiation damages while producing the magnetic fields required to confine
the plasma.
In particular, High-Temperature Superconductors are enabling the design of more compact and
efficient magnetic systems, making them an essential technology for future fusion devices. However,
the intense magnetic fields produced by such systems give rise to large electro-magnetic
forces, leading to significant stresses and deformations within the structural supports and reinforcements
of the magnet.
Efficient structural design is therefore critical to ensure both mechanical integrity and material
optimization, particularly when the system must operate under tight geometric constraints and
such enormous electro-magnetic loads. In this context, the present work focuses on the structural
optimization of fusion magnet reinforcement systems for Renaissance Fusion’s stellarator, aiming
to minimize mass while satisfying stringent stress, displacement, and manufacturing constraints.
By integrating numerical modeling and optimization techniques, such as topology optimization,
this work provides insight into design solutions capable of withstanding electro-magnetic loads
while reducing structural weight, ensuring acceptable mechanical performances and reducing the
time to transition into realistic engineering solutions.
Gli sforzi globali per decarbonizzare la produzione di energia hanno posto una crescente enfasi
sullo sviluppo di alternative pulite e sostenibili ai combustibili fossili. Tra queste, la fusione
nucleare si distingue come una soluzione promettente a lungo termine, offrendo il potenziale
per una fonte di energia praticamente illimitata e priva di emissioni di carbonio. I dispositivi a
confinamento magnetico, come i tokamak e gli stellarator, rappresentano il percorso più avanzato
verso la realizzazione pratica dell’energia da fusione. In tali sistemi, intensi campi magnetici
vengono utilizzati per confinare il plasma, impedendone il contatto con le pareti interne del
reattore e consentendo così di raggiungere le condizioni necessarie per mantenere e sostentere le
reazioni di fusione.
Per ottenere una produzione di energia da fusione economicamente vantaggiosa, i reattori devono
operare con un elevato guadagno energetico (Q), fortemente correlato all’aumento delle
dimensioni del reattore stesso, come nel caso dell’International Thermonuclear Experimental
Reactor (ITER), oppure all’aumento dell’intensità del campo magnetico nel sistema di confinamento.
Gran parte della ricerca attuale si concentra su questa seconda strategia, che sta
guidando lo sviluppo di magneti superconduttori ad alto campo, capaci di sopportare carichi
meccanici estremi e danni da irraggiamento, generando i campi magnetici necessari per confinare
il plasma.
In particolare, i superconduttori ad alta temperatura (High-Temperature Superconductors)
stanno rendendo possibile la progettazione di sistemi magnetici più compatti ed efficienti, rappresentando
una tecnologia essenziale per i futuri dispositivi a fusione. Tuttavia, gli intensi
campi magnetici generati da tali sistemi producono elevate forze elettromagnetiche, che causano
notevoli sollecitazioni e deformazioni nelle strutture di supporto e nei rinforzi del magnete.
Un’efficace progettazione strutturale risulta quindi fondamentale per garantire sia l’integrità
meccanica sia l’ottimizzazione dei materiali, specialmente quando il sistema deve operare entro
rigorosi vincoli geometrici e sotto enormi carichi elettromagnetici. In questo contesto, il presente
lavoro si concentra sull’ottimizzazione strutturale dei sistemi di rinforzo dei magneti da fusione
per lo stellarator di Renaissance Fusion, con l’obiettivo di minimizzare il peso rispettando vincoli
stringenti di tensione, deformazione e manufatturieri. Integrando la modellazione numerica e
tecniche di ottimizzazione, come l’ottimizzazione topologica, questo studio fornisce indicazioni
su soluzioni progettuali capaci di sopportare i carichi elettromagnetici riducendo al contempo il
peso strutturale, assicurando prestazioni meccaniche adeguate e riducendo i tempi di transizione
verso soluzioni ingegneristiche reali.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for Energy and Environment
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Name
sdelnero_tesid.pdf
Size
30.1 MB
Format
Adobe PDF
Checksum (MD5)
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