Design and improvement of thermo-structural performances of ECRH mirrors of different fusion facilities: DTT, DEMO and ST40
Author(s)
Date Issued
July 17, 2023
Type
Doctoral Thesis
Abstract
In the field of nuclear fusion research, many challenges have yet to be overcome and many others are on the way. Among these, one concerns plasma heating at very high temperatures. In this context, Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) plays an important role, being one of the first choices among additional heating systems. It generates microwave beams launched directly into the plasma to heat it up. Mirrors are one of the main components of the system, necessary for the transmission and reflection of the microwave beams. Since the reflection is not perfect, a small part of the power transported by the beams is absorbed by the mirror, raising its temperature. This produces deformations of the mirror, causing inefficiencies in its optical performance, resulting in plasma power losses. It is therefore necessary to design mirrors preserving their optical characteristics as much as possible, reducing temperatures and thus deformations. The possibility of applying already known solutions, studying the effects of alternative design choices, cooling systems, materials, geometries, adapting them to new requirements, gave rise to this thesis. It aims to make a contribution to research by finding suitable solutions for the mirrors of the next-generation tokamaks. The technical approach used foresees the definition of CAD models and FEM simulations, using tools based on well-known thermal and structural analysis methodologies. These analyses guide the choices and direct the study that lays the foundations for tomorrow’s developments. The methodology is applied to different mirror topologies and tokamaks such as DTT, DEMO and ST40. DTT represents the main part of the work with the mirrors of the launcher and the transmission line. In DEMO, in addition to the preliminary design of the mirror, various mechanical solutions are proposed for the support structures. Finally, in ST40, a preliminary study of the thermal behaviour of a launcher mirror of its new ECRH is carried out.
Nel campo della ricerca sulla fusione nucleare, molte sfide devono ancora essere superate e molte altre sono sulla buona strada. Tra queste, una riguarda il riscaldamento del plasma a temperature molto elevate. In questo contesto, l’ Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) svolge un ruolo importante, essendo una delle prime scelte tra i sistemi di riscaldamento aggiuntivi. Tale sistema genera fasci di microonde lanciati direttamente nel plasma per riscaldarlo. Gli specchi sono uno dei componenti principali del sistema, necessari per la trasmissione e la riflessione dei fasci di microonde. Poiché la riflessione non è perfetta, una piccola parte della potenza trasportata dai fasci viene assorbita dallo specchio, aumentandone la temperatura. Questo produce deformazioni nello specchio, causando inefficienze nelle sue prestazioni ottiche, con conseguenti perdite di potenza del plasma. È quindi necessario progettare specchi che preservino il più possibile le loro caratteristiche ottiche, riducendo le temperature e quindi le deformazioni. La possibilità di applicare soluzioni già note, studiando gli effetti di scelte progettuali alternative, differenti sistemi di raffreddamento, materiali, geometrie, adattandoli a nuove esigenze, ha dato origine a questa tesi. Essa si propone di dare un contributo alla ricerca trovando soluzioni adeguate per gli specchi dei tokamak di prossima generazione. L'approccio tecnico utilizzato prevede la definizione di modelli CAD e simulazioni FEM, utilizzando strumenti basati su note metodologie di analisi termica e strutturale. Queste analisi guidano le scelte e indirizzano lo studio che pone le basi per gli sviluppi di domani. La metodologia è applicata a diverse topologie di specchi e tokamak come DTT, DEMO e ST40. DTT rappresenta la parte principale del lavoro con gli specchi del lanciatore e la linea di trasmissione. In DEMO, oltre alla progettazione preliminare dello specchio, vengono proposte diverse soluzioni meccaniche per le strutture di supporto. Infine, in ST40, viene effettuato uno studio preliminare del comportamento termico di uno specchio del lanciatore del nuovo ECRH.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment
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