Design and thermo-structural analyses of the DTT vacuum vessel, ports and cryostat base systems
Author(s)
Fulici, Marco
Date Issued
February 13, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Nuclear fusion is regarded as one of the most promising energy sources for the years to come. However,
achieving this goal is considered to be one of the most diicult tasks, due to the extreme physical and
technological complexity involved. The European Roadmap toward commercial nuclear fusion energy
is based on two main projects: ITER and DEMO. In addition to these primary projects, there are several
smaller ancillary projects, each with a specific scientific objective. Among these projects, the work
presented in this thesis focuses on Italy's next tokamak, the Divertor Tokamak Test (DTT), which is
currently under construction at ENEA in Frascati. The scientific objective of the DTT is to study dierent
divertor solutions for heat extraction that will be relevant to DEMO power plant. This thesis work is
devoted to the thermo-mechanical analysis and structural integrity verifications of some of the main
structural components of the DTT machine. The design of these components, carried out according to
a well-established Design By Analysis approach, is closely linked to compliance with the limits imposed
by dedicated standards, the study and comparison of which was an integral part of this work. The study
began with an analysis of the dynamic behavior of the machine toroidal complex. Then, the response of
the system under the action of seismic actions was examined, with particular attention given to the
displacements and stresses at the base of the cryostat. The investigation also involved the potential
benefits of stress reduction through the incorporation of seismic isolation systems. Therefore, an
analysis of the vacuum vessel was conducted in consideration of its various operational states. The
design loads for this component were determined to be attributed to electromagnetic actions.
Specifically, the case study on Vertical Displacement Events revealed potential critical concerns from
the perspective of structural integrity. Utilizing the submodeling technique, a series of progressive
strengthening interventions were assessed, culminating in compliance with the reference standards.
Finally, the bolted flanged joint between the vacuum vessel and the gravity supports was examined.
Given that the position and dimensions of the joint are constrained by spatial limitations, the objective
was to identify an optimized configuration that was compatible with these boundary conditions.
La fusione nucleare è considerata una delle fonti energetiche più promettenti per gli anni a venire.
Tuttavia, il raggiungimento di questo obiettivo è considerato uno dei compiti più diicili, a causa
dell'estrema complessità fisica e tecnologica che comporta. La Roadmap europea verso l'energia da
fusione nucleare commerciale si basa su due progetti principali: ITER e DEMO. Oltre a questi progetti
principali, ci sono diversi progetti secondari più piccoli, ognuno con un obiettivo scientifico specifico.
Tra questi progetti, il lavoro presentato in questa tesi si concentra sul prossimo tokamak italiano, il
Divertor Tokamak Test (DTT), attualmente in costruzione presso l'ENEA di Frascati. L'obiettivo scientifico
del DTT è quello di studiare diverse soluzioni di divertore per l'estrazione del calore e che potranno
essere rilevanti per il futuro di DEMO. Questo lavoro di tesi è dedicato all'analisi termomeccanica e alle
verifiche di integrità strutturale di alcuni dei principali componenti strutturali della macchina DTT. La
progettazione di questi componenti, eettuata secondo un consolidato approccio di Design By
Analysis, è strettamente legata al rispetto dei limiti imposti dalle normative dedicate, il cui studio e
confronto è stato parte integrante di questo lavoro. Lo studio è iniziato con l'analisi del comportamento
dinamico del complesso toroidale della macchina. Successivamente, è stata esaminata la risposta del
sistema sotto l'azione di azioni sismiche, con particolare attenzione agli spostamenti e alle
sollecitazioni alla base del criostato. L'indagine ha riguardato anche i potenziali benefici della riduzione
delle sollecitazioni attraverso l'incorporazione di sistemi di isolamento sismico. Successivamente è
stata condotta un'analisi del considerando molteplici condizioni operative della macchina. I carichi di
progetto per questo componente sono rappresentati dalle azioni elettromagnetiche. In particolare,
l’analisi del sistema sottoposto a un evento disruttivo noto come Vertical Displacement Event ha
rivelato potenziali criticità dal punto di vista dell'integrità strutturale. Utilizzando la tecnica della
sottomodellazione, sono stati valutati una serie di interventi di rinforzo progressivi sulla camera da
vuoto, che hanno portato infine al raggiungimento della conformità con le norme di riferimento. Infine,
è stato esaminato il giunto flangiato-bullonato che funge da interfaccia tra la camera da vuoto e i
supporti gravitazionali. Poiché la posizione e le dimensioni del giunto sono vincolate da limitazioni
spaziali, l'obiettivo è stato quello di individuare una configurazione ottimizzata che fosse compatibile
con queste condizioni al contorno.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for Energy and Environment
File(s)![Thumbnail Image]()
Name
mfulici_tesid.pdf
Size
45.39 MB
Format
Adobe PDF
Checksum (MD5)
289ea55a57b738c5e35ed9bc9d8560bd