TRUST: a new research and educational Tokamak to explore an alternative magnetic layout in nuclear fusion reactors
Author(s)
Carusotti, Simone
Date Issued
February 13, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The main aim of this study is the design of a new academic tokamak Tuscia Research University Small Tokamak (TRUST), under construction at University of Tuscia (UNITUS), to explore a conceptual Alternative Magnetic Layout (AML) for the future nuclear fusion reactor based on the Tokamak concept. The proposed concept is applied as a large down scaled study. In this proposal the Central Solenoid (CS) placed around the Toroidal Field (TF) coils providing a relevant reduction in the reactor size. In order to compensate the increase of the toroidal filed on the coils, that it is intrinsic in such proposal, High Temperature Superconductor (HTS) material is foreseen for the TF coils. An overview of the proposed design and a possible plasma scenario is presented showing the AML advantages and disadvantages. The electromagnetic and structural characterizations for a preliminary design of the TF coils system is included to prove the engineering feasibility of the solution. Moreover, the involvement of the AML design in the TRUST project framework is presented. TRUST is a flexible and low-cost university-class experiment, to train the next generation of fusion engineers and physicists. Beyond its academic goal, TRUST is designed to allow easy replacement of the plasma facing components and testing innovative technologies (i.e., meta-materials) and materials, including a feasible upgrade the magnetic system from copper to HTS. An overview of the TRUST project and conceptual design will be provided. The main parameters for a first stage of operation to achieve the target single null plasma configuration are the following: R0 = 0.3 m, A = 2.5, Ipla = 0.110 MA, Bt = 0.8 T, q95 = 3.2. TRUST will help to train the next generation of fusion engineers and physicists ready to study the technological challenges for the construction of a tokamak, accordingly to the scientific program of EU-DEMO and DTT proposals. Three distinct plasma configurations development in preparation for future TRUST operations are foreseen: Lower Single Null (LSN), Double Null (DN), and Upper Single Null (USN). Detailed analyses are presented for each plasma scenario, with a particular focus on optimizing active coil currents during characteristic pulse phases to achieve the desired magnetic field configuration; while appropriately setting the plasma parameters. A preliminary estimation of the thermal loads and plasma temperatures at the first wall and divertor was made from EM scenario analysis, together with a first analysis on TRUST vertical stability. Additionally, a preliminary plasma disruption database is presented, comprising a collection of EM numerical simulations covering various plasma dynamic conditions within the operational space with a preliminary structural verification of the proposed design. Finally, an overview of the TRUST facility status is reported, including the safety verification performed.
Lo scopo principale di questo elaborato è la progettazione di un nuovo tokamak accademico Tuscia Research University Small Tokamak (TRUST), in costruzione presso l'Università della Tuscia (UNITUS), per esplorare in maniera concettuale un layout magnetico alternativo (AML) per i futuri reattori a fusione nucleare basati sul concetto di tokamak. Il design proposto è applicato come studio in scala ridotta. In questa layout, il solenoide centrale (CS) è posizionato intorno alle bobine del campo toroidale (TF), consentendo una notevole riduzione delle dimensioni del reattore. Per compensare l'aumento del campo toroidale sulle bobine, che è intrinseco in questa proposta, è previsto un materiale superconduttore ad alta temperatura (HTS) per le bobine TF. Una panoramica del progetto proposto viene presentata e un possibile scenario di plasma che mostra i vantaggi e gli svantaggi dell'AML è analizzato. Le caratterizzazioni elettromagnetiche e strutturali per un progetto preliminare del sistema di bobine TF sono incluse per dimostrare la fattibilità ingegneristica della soluzione. Inoltre, è presentato il coinvolgimento del design AML nell’ambito del progetto TRUST. TRUST è un esperimento di classe universitaria flessibile e a basso costo, per formare la prossima generazione di ingegneri e fisici della fusione. Oltre all'obiettivo accademico, TRUST è stato progettato per consentire una facile sostituzione dei componenti del plasma e per testare tecnologie (ad esempio, meta-materiali) e materiali innovativi, compreso un aggiornamento fattibile del sistema magnetico dal rame all'HTS. Verrà fornita una panoramica del progetto TRUST e del design concettuale. I parametri principali per una prima fase di funzionamento per raggiungere la configurazione di plasma Single Null sono i seguenti: R0 = 0.3 m, A = 2.5, Ipla = 0.110 MA, Bt = 0.8 T, q95 = 3.2. TRUST contribuirà a formare la prossima generazione di ingegneri e fisici della fusione pronti a studiare le sfide tecnologiche per la costruzione di un tokamak, secondo il programma scientifico delle proposte EU-DEMO e DTT. Sono previste tre distinte configurazioni di plasma in preparazione alle future operazioni di TRUST: Lower Single Null (LSN), Double Null (DN) e Upper Single Null (USN). Vengono presentate analisi dettagliate per ogni scenario di plasma, con particolare attenzione all'ottimizzazione delle correnti attive della bobina durante le fasi caratteristiche dell'impulso per ottenere la configurazione di campo magnetico desiderata, impostando in modo appropriato i parametri del plasma. Dall'analisi dello scenario EM è stata effettuata una stima preliminare dei carichi termici e delle temperature del plasma alla prima parete e al divertore, insieme a una prima analisi della stabilità verticale di TRUST. Inoltre, viene presentato un database preliminare delle perturbazioni del plasma, comprendente una raccolta di simulazioni numeriche EM che coprono varie condizioni dinamiche del plasma all'interno dello spazio operativo, con una verifica strutturale preliminare del progetto proposto. Infine, viene presentata una panoramica dello stato della struttura TRUST, compresa la verifica di sicurezza effettuata.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for Energy and Environment
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6.84 MB
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