RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Modellistica e controllo di Resistive Wall Modes in dispositivi toroidali per la fusione termonucleare controllata in presenza di conduttori tridimensionali

Università di riferimento

Università degli Studi di CASSINO - AUTOMAZIONE, ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA INDUSTRIALE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Fabio Villone

Descrizione

L'Unità di Cassino si impegnerà principalmente nelle attività di modellistica del sistema plasma-strutture conduttrici circostanti, ai fini dello studio dei cosiddetti Resistive Wall Modes (external kink a basso n) e nella verifica sperimentale sul dispositivo RFX-mod.

Dunque, la duplice competenza dell'Unità (modellistica numerica di plasma ed elettromagnetica da un lato, sperimentale dall'altro) sarà messa a frutto per sviluppare gli strumenti computazionali già disponibili e metterne a punto di nuovi, specificamente rivolti alle esigenze del presente progetto, e valutare l'aderenza delle loro predizioni rispetto ai dati sperimentali.

Come già menzionato nella base di partenza scientifica, per perseguire questi obiettivi si sono aggiunti al team della presente Unità alcuni ricercatori esterni, con specifiche competenze (teoriche e sperimentali) di modellistica e controllo dei RWMs. Essi saranno coinvolti nelle attività di ricerca tramite eventuale compartecipazione alle campagne sperimentali, scambio e condivisione di codici di simulazione, dati e risultati sperimentali.

Conseguentemente, saranno necessarie visite e mobilità di media durata presso i laboratori coinvolti nelle varie attività per garantire le necessarie interazioni tra i ricercatori afferenti alla presente Unità, facenti parte di istituzioni geograficamente lontane. Inoltre, saranno importanti i contatti con i gruppi di ricerca delle altre Unità coinvolte nel presente Progetto, ma anche con quelli di altre istituzioni di ricerca operanti nel settore della fusione termonucleare controllata (ENEA, EFDA, ITER, JET, etc.), con le quali da anni va avanti una proficua e consolidata interazione scientifica.
Per questi motivi, ai quali si deve aggiungere la partecipazione a convegni specifici per la disseminazione dei risultati, una buona parte del finanziamento (attorno al 30%) sarà speso in missioni.

Un'altra parte cospicua dell'attività riguarderà la messa a punto di codici numerici di simulazione; pertanto, una porzione non trascurabile del finanziamento (circa il 30%) sarà focalizzato sul potenziamento delle strutture di calcolo già presenti (o la creazione di nuove), e l'aggiornamento del relativo software.


A questo proposito, occorre anche ricordare che l'Unità di Ricerca di Cassino è coinvolta direttamente o indirettamente (mediante collaborazioni formalizzate con il Consorzio CREATE) nel progetto ITER e nel piano di aggiornamento dei sistemi di controllo del tokamak JET (Joint European Torus, UK). Pertanto, anche con un finanziamento ridotto rispetto alle richieste, in ogni caso si cercherà di fornire una risposta tecnica, sia pur approssimata e sostanzialmente ridotta negli obiettivi, limitatamente alle esigenze contingenti dei singoli esperimenti. Tuttavia, lo sviluppo ed il perfezionamento di metodi generali, stimolati dalle esigenze dei singoli esperimenti, devono necessariamente avere le sue radici in un programma di ricerca, che ovviamente non può trovare direttamente posto nel progetto tecnico, né essere vincolato dalle sue necessità e scadenze. E' opportuno notare esplicitamente che la carenza di supporto finanziario a questo tipo di ricerca, che peraltro non necessita di risorse ingenti, conduce in pochi anni alla perdita di competitività scientifica anche da parte di gruppi di ricerca qualificati.

Tutte queste considerazioni dimostrano da un lato il carattere innovativo delle ricerche proposte nel presente progetto, che si inseriscono in una tematica di ricerca correntemente attivamente esplorata dai ricercatori di tutto il mondo, e dall'altro le positive aspettative della comunità scientifica internazionale per le risultanze del presente progetto.



L'attività dell'Unità di Ricerca di Cassino si articolerà dunque nei seguenti punti.

1) Sviluppo di modelli tridimensionali delle strutture conduttrici circostanti il plasma

2) Sviluppo di modelli non assialsimmetrici di plasma ed accoppiamento con le strutture conduttrici

3) Verifiche ed applicazioni


Tutte le attività prevedono una stretta interazione con le altre Unità coinvolte nel progetto, e verranno portate avanti per entrambi gli anni del progetto.


Nel seguito, questi tre punti vengono discussi nel dettaglio.

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1) Sviluppo di modelli tridimensionali delle strutture conduttrici circostanti il plasma


Come si evince dalla discussione fatta nella base di partenza scientifica, un punto fondamentale per una corretta modellistica del sistema è senza dubbio quello di dare una corretta descrizione delle strutture conduttrici circostanti. Ciò è testimoniato dalla precedente esperienza fatta sull'evoluzione del modo instabile n=0, che dimostra che l'effetto delle deviazioni dall'assialsimmetria delle strutture conduttrici può essere importante.
L'attività è particolarmente delicata nel caso dei modi non assialsimmetrici a basso n (ad esempio n=1), in quanto il relativamente grande periodo spaziale in direzione toroidale richiede una discretizzazione di porzioni importanti delle strutture conduttrici, anche al di là della loro effettiva periodicità legata alla segmentazione in settori. Il gran numero di incognite discrete richiede dunque necessariamente il ricorso a tecniche di velocizzazione, che rendano lo scaling del tempo computazionale con la complessità del problema più favorevole di quello standard.


In definitiva, il punto 1) si articolerà nei seguenti sottopunti.



1.1) Sviluppo di formulazioni integrali di volume o superficiali idonee per l'accoppiamento con plasmi non assialsimmetrici.


Si prevede lo sviluppo di formulazioni già esistenti (CARIDDI) o, se necessario, la messa a punto di nuove (ad esempio superficiali).


1.2) Messa a punto di tecniche di velocizzazione per la risoluzione di problemi di grosse dimensioni


Si analizzeranno le tecniche più utilizzate (di tipo multipolare, Fast Fourier Transform (FFT), riduzione d'ordine, zooming) per individuare quelle maggiormente promettenti.


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2) Sviluppo di modelli non assialsimmetrici di plasma ed accoppiamento con le strutture conduttrici


Il cuore modellistico della presente attività è certamente quello che riguarda la descrizione dell'evoluzione non assialsimmetrica del plasma. A tale scopo, come descritto in precedenza, esistono diversi modi di procedere: da un lato si può pensare di risolvere le equazioni MHD con codici ad hoc, come MARS-F, dall'altro si può ricorrere ad approcci alternativi.
Si tratteranno in particolare delle approssimazioni di tipo filamentare per il plasma, in cui si suppone cioè di concentrare tutta la corrente in un filo di sezione piccola rispetto alle altre dimensioni in gioco. La dinamica di questo filo potrà essere o trovata in maniera consistente, imponendo ad esempio la validità delle equazioni dell'equilibrio MHD in ogni istante, o in prima battuta supposta assegnata dall'esterno, in base alle predizioni di codici MHD più raffinati.

In ogni caso, un punto fondamentale risulterà l'accoppiamento tra i modelli non assialsimmetrici di plasma e i modelli tridimensionali delle strutture conduttrici, discussi al punto precedente.


In definitiva, il punto 2) si articolerà nei seguenti sottopunti.


2.1) Studio del modello MARS-F, e sua eventuale modifica per tener conto di wall resistivi tridimensionali


Attualmente, MARS-F prevede la possibilità di introdurre un wall resistivo assialsimmetrico, e non può trattare geometrie realistiche degli avvolgimenti deputati al controllo in feedback.


2.2) Studio di modelli di plasma per RFP ed eventuali modifiche

I modelli di evoluzione di plasma che usualmente vengono utilizzati per descrivere RFP soffrono di alcune limitazioni (ad esempio, limite cilindrico, scocca sottile, ecc.). Si valuterà la possibilità e l'opportunità di rimuoverle per estenderne il range di validità.
In particolare si prevede lo sviluppo di un modello 3D di RFX-mod per l'analisi degli errori di campo dovuti alle strutture passive ed un eventuale suo interfacciamento a modelli di plasma (MARS-F o DEBS) che descrivano la dinamica di un plasma RFP.


2.3) Sviluppo di modelli non assialsimmetrici alternativi di plasma


Da un lato si svilupperanno modelli semplificati di plasma (ad esempio filamentari, o imponendo una evoluzione lungo un modo assegnato). Dall'altro, si cercherà di mettere a punto modelli più autoconsistenti, in cui l'evoluzione del plasma sia determinata in modo da soddisfare le equazioni dell'equilibrio ad ogni istante.


2.4) Accoppiamento tra modelli di plasma e modelli tridimensionali delle strutture conduttrici


Bisogna opportunamente integrare ed accoppiare i modelli di plasma prima descritti con le formulazioni integrali menzionate in precedenza per la descrizione delle strutture conduttrici. A tale scopo, occorrerà sviluppare tecniche di accoppiamento che consentano una efficace interazione in termini di precisione e velocità, ma con costi computazionali accettabili.


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3) Verifiche ed applicazioni


Un aspetto cruciale dell'attività da svolgere riguarda senza dubbio le applicazioni e le verifiche delle metodologie proposte. Si prevedono delle applicazioni in simulazione e verifiche sperimentali.
In particolare, si applicheranno le metodologie proposte al tokamak ITER, attualmente in fase di progetto, per il quale è fondamentale capire quale possa essere l'effetto delle strutture non assialsimmetriche sull'evoluzione dei Resistive Wall Modes.
I risultati saranno confrontati con le predizioni di altri codici.
Per quanto riguarda le verifiche sperimentali, l'unità di Cassino si concentrerà sul tokamak JET (Joint European Torus, UK) e sul dispositivo RFX-mod (Reversed Field Pinch, Padova).

In definitiva, il punto 3) si articolerà nei seguenti sottopunti.



3.1) Applicazione ad ITER


Si valuteranno gli effetti delle strutture non assialsimmetriche sull'evoluzione dei Resisistive Wall Modes. Si confronteranno i risultati con quelli di altri codici.


3.2) Verifica sperimentale sul JET


Si valuteranno gli effetti delle strutture non assialsimmetriche sull'evoluzione del modo n=0. L'eccitazione dell'instabilità sarà o intenzionale o legata a cause naturali, come gli Edge Localized Modes (ELMs).


3.3) Verifica sperimentale su RFX-mod


Si confronteranno le predizioni dei modelli sviluppati con i risultati ottenuti sul dispositivo RFX-mod.