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 "Mediterranea" di REGGIO CALABRIA - INFORMATICA, MATEMATICA, ELETTRONICA E TRASPORTI - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Raffaele Albanese

Descrizione

L'Unità di Reggio Calabria svolgerà la propria attività sulle seguenti tematiche:
- modellistica e controllo delle instabilità verticali n=0 in JET (task 1);
- modellistica di RWM non assialsimmetrici con metodi elettromagnetici (task 2);
- applicazioni e verifiche sperimentali (task 3).

L'Unità di Reggio Calabria ha una documentata esperienza nella modellistica e nel controllo dei plasmi assialsimmetrici [15-28] in vari dispositivi come FTU, RFX, TCV,JET ed ITER, nonché nel calcolo dei campi elettromagnetici tridimensionali con particolare riferimento alle correnti indotte nei dispositivi per fusione nucleare [29-32]. L'Unità include i seguenti ricercatori:
- M. Mattei (Univ. RC), responsabile dell'EFDA Task: "ITER (and DEMO) Plasma Equilibrium Configurations studies (TW5-TPO-EQUIL);
- F. Piccolo (Univ. RC e UKAEA), dottorando presso l'Univ. Mediterranea di Reggio Calabria e componente del Plasma Operation Group del JET;
- F. Crisanti (ENEA Frascati), Deputy Leader della JET Task Force S2 e coordinatore del progetto JET-EP2 “Plasma Control Upgrade" per l'aggiornamento del sistema di stabilizzazione del tokamak JET;
- A. Portone (EFDA-Garching), CSU Liaison Officer per i Task EFDA-ITER relativi al controllo del plasma.

Questa unità è comportata direttamente o indirettamente (nell’ambito di collaborazioni formalizzate con il Consorzio CREATE) nel progetto di ITER e nell'aggiornamento dei sistemi di controllo del tokamak JET (EFDA, Culham) e di RFX, Padova.

Di conseguenza, anche in assenza di finanziamento MIUR, questa Unità proverà a fornire una risposta tecnica e approssimata alle problematiche del Task 1 ed a alcuni punti dei Task 2 e 3, nei limiti delle esigenze progettuali. Tuttavia, lo sviluppo ed il perfezionamento di metodi generali stimolati dalle esigenze progettuali devono necessariamente avere le sue radici in un programma ricerca, che ovviamente non può trovare direttamente posto nel progetto, né essere vincolata dalle necessità e dalle scadenze progettuali. Comunque questo tipo di ricerca, che non ha bisogno di risorse ingenti, è estremamente utile per tenere viva la competitività scientifica.

L'obiettivo principale del programma di ricerca è di pervenire ad un modello generale per lo studio dei RWM in presenza di strutture tridimensionali per:
a) superare le limitazioni dei metodi attualmente utilizzati, che trascurano l'interazione fra le componenti a vari n;
b) poter studiare quali sono le condizioni che favoriscono lo sviluppo di VDE asimmetrici nei tokamak e dei locked modes nei reversed field pinches;
c) poter progettare il sistema di controllo dei RWM in maniera analoga a quello di forma, posizione e corrente.

Per il successo del programma di ricerca è necessaria una stretta interazione con l'Unità di Cassino ed i siti di ENEA Frascati, RFX Padova, EFDA CSU Garching (Germania) ed EFDA JET Culham (Inghilterra), particolarmente nelle fasi relative al progetto ed all'esecuzione delle prove sperimentali sul JET. Un altro punto principale del programma è lo sviluppo dei metodi numerici e dei codici di calcolo per la modellistica delle strutture e del plasma. Di conseguenza la maggior parte delle risorse sarà dedicata a mobilità e ad acquisto di computer software ed hardware.

TASK 1: MODELLISTICA E CONTROLLO DELLE INSTABILITÀ VERTICALI n=0 NEL JET
Questa attività, da svolgere in collaborazione con le Unità di Cassino e di Napoli, ha varie motivazioni. L’operatività del JET in regimi di interesse per ITER richiede un aggiornamento del sistema di stabilizzazione verticale con l'obiettivo di raddoppiare l’intensità massima tollerabile degli ELM (modi localizzati al bordo). Un altro obiettivo è il requisito di verificare e validare i modelli, gli osservatori, i controllori e l’intera metodologia di progettazione del sistema di controllo di ITER. Inoltre, la comprensione della natura delle perturbazioni che gli ELM provocano sul sistema di stabilizzazione verticale (VS) è un campo di ricerca ancora attivo ai fini del dimensionamento degli alimentatori di ITER. Infine, le previsioni dei modelli assialsimmetrici possono essere utilizzate per la validazione della schematizzazione delle strutture metalliche intorno al plasma e come benchmark per le procedure per lo studio dei RWM. L'analisi sarà effettuata usando i modelli assialsimmetrici CREATE-L e CREATE-NL che già sono stati applicati al JET con un’opportuna schematizzazione del nucleo ferromagnetico.
Nel Task sono previste le seguenti attività:
1.1 Sviluppo del modello puramente elettromagnetico del JET
Il modello include: circuiti di equilibrio, strutture passive, circuito di campo radiale e relativa alimentazione, diagnostiche magnetiche.
1.2 Sviluppo del modello elettromagnetico a ciclo aperto con plasma
Il modello dell’attività 1.1 sarà esteso in modo da includere il plasma. Il modello sarà validato usando sia i dati disponibili negli archivi JET sia esperimenti futuri a ciclo aperto
1.3 Sviluppo del modello a ciclo chiuso con plasma e VS
La messa a punto di questo modello essenzialmente richiederà l'aggiunta di un modello del presente VS alla schematizzazione ottenuta dall’attività 1.2. In questo modo potranno esseresfruttati tutti i dati attualmente disponibili e saranno poste le basi per svolgere l’attività 1.8.
1.4 Modellistica degli effetti degli ELM sulla VS
Nella maggior parte dei modelli di risposta del plasma, gli effetti degli ELM sono considerati come il risultato di un cambiamento dei parametri di profilo di pressione e corrente del plasma. In questa attività sarà identificato un modello semplificato equivalente valido per il JET, utilizzando i dati disponibili in archivio.
1.5 Definizione di un benchmark per valutare le prestazioni di un sistema di VS
Lo scopo di questa attività è la definizione di un benchmark per valutare le prestazioni di un sistema di VS, che include l’algoritmo di controllo, le diagnostiche magnetiche, le variabili controllate, l’alimentazione, le bobine, le connessioni ed i numeri di spire.
1.6 Progetto dell'osservatore delle grandezze controllate
Questa attività definirà le procedure ottimali per la valutazione, in base alle misure disponibili, delle variabili da usare per la VS (ad esempio corrente del plasma, posizione e velocità verticale del plasma, ecc.).
1.7 Aggiornamento del controllore per VS
L'obiettivo principale è ottimizzare la possibilità di stabilizzare il plasma in presenza di ELM giganti. Il nuovo progetto, comunque necessario in caso di aggiornamento di qualsiasi elemento del sistema, dovrebbe garantire la stabilità verticale per una vasta gamma configurazioni di plasma, tener conto dei vincoli imposti dall’hardware e minimizzare l’interazione con il controllore di forma.
1.8 Valutazione dell'impatto di opzioni alternative
Scopo di questa attività è la valutazione dell'impatto di varie opzioni alternative: connessioni e numero di spire degli avvolgimenti, limiti di corrente e tensione delle alimentazioni, modifiche alle diagnostiche magnetiche, ecc. Sarà effettuata sulla base di opportune assunzioni semplificative sul controllore e sul sistema diagnostico.
1.9 Accoppiamento di CARIDDI con un plasma assialsimmetrico
Sarà assunto un modello generale di spostamento del plasma e un modello 3D delle strutture conduttrici. La formulazione integrale di CARIDDI sarà accoppiata all'equilibrio del plasma, trascurando i termini inerziali. Si opererà in maniera simile al CREATE-L [15-16,32], però nel determinare lo spostamento dell'equilibrio a causa di una singola variazione di corrente si imporrà adiabaticità e conservazione di q in forma locale.

TASK 2: MODELLISTICA DI RWM NON ASSIALSIMMETRICI CON METODI ELETTROMAGNETICI
Questa attività, da svolgere in collaborazione con l'unità di Cassino, ha la motivazione principale di fornire un modello semplice ma affidabile del plasma per l'analisi del RWM con una schematizzazione elettromagnetica dettagliata. Il codice per le correnti indotte 3D CARIDDI, che nel passato è stato accoppiato a modelli di plasma di complessità differente (filamentare o consistente con l’equilibrio MHD) per l'analisi di stabilità verticale, sarà accoppiato a modelli non assialsimmetrici del plasma.
Sono previste le seguenti attività:
2.1 Accoppiamento di CARIDDI con un modello rigido di spostamento del plasma
Questo modello può essere usato per analizzare modi n=0 e n=1 ed in particolare la fase iniziale di un VDE asimmetrico. E' assunto un modello rigido del plasma con un modello 3D delle strutture. La formulazione integrale di CARIDDI è stata accoppiata all'equilibrio del plasma, trascurando la massa del plasma, imponendo che la forza totale ed il momento totale siano nulli [55]. I risultati ottenuti con questo modello verranno utilizzati per confronto.
2.2 Accoppiamento di CARIDDI con un modo di plasma
Sarà assunto un modello generale di spostamento del plasma e un modello 3D delle strutture conduttrici. La formulazione integrale di CARIDDI sarà accoppiata all'equilibrio del plasma, trascurando ancora i termini inerziali. Il modo di plasma sarà specificato da un'altra procedura (un codice di stabilità MHD, una soluzione analitica approssimata in presenza della parete ideale, ecc.) in termini di spostamento u del plasma in ogni punto (dal quale può essere derivata facilmente la perturbazione sulla densità di corrente). Una singola equazione è aggiunta alle equazioni del circuito equivalente di CARIDDI per determinare l'ampiezza del modo corrispondente ad un insieme di valori delle correnti esterne. Questa equazione è fornita dall'equilibrio linearizzato F(u)=0, imponendo che l'integrale di volume di F*u sia zero.
2.3 Accoppiamento di CARIDDI con un plasma multimodale
Questa attività è simile alla 2.2. La differenza è che la perturbazione sarà specificata dallo spostamento u in ogni punto, che è fornito da una combinazione lineare delle N funzioni di base u_1, u_2..., u_N. Vanno aggiunte N equazioni alle equazioni di CARIDDI (dove il plasma entra tramite le tensioni applicate) per determinare gli N coefficienti. La k-ma equazione è fornita dall'equilibrio linearizzato F(u)=0, imponendo che l'integrale di volume di F(u)*u_k sia zero.
2.4 Modello di rotazione del plasma
Questa attività sarà avviata in collaborazione con l'Unità di Cassino, inserendo ad esempio il termine dovuto alla velocità nell'equazione F(u)=0.

TASK 3: APPLICAZIONI, E VERIFICHE SPERIMENTALI
Questa attività, da svolgere in collaborazione con l'unità di Cassino, ha la motivazione principale nella necessità di valutare l’affidabilità delle previsioni dei modelli.
E' disponibile una sessione dedicata agli esperimenti sulla stabilizzazione verticale nel tokamak JET (esperimento S1 1.201 nella campagna 2005 "VS Measurement" coordinato da R. Albanese e F. Sartori). Il JET è il tokamak più grande del mondo, che entrò in operazione nel 1983 e nel 1991 fu il primo dispositivo a produrre una quantità significativa di potenza (circa 2 MW) con la fusione nucleare.
Sono previste le seguenti attività:
3.1 Validazione sperimentale dei modelli per VDE e VS nel JET
Lo scopo finale è quello di avere un modello affidabile del sistema a ciclo chiuso per la VS nel JET.
3.2 Benchmark sperimentali di nuovi controllori/osservatori per la VS nel JET
Sia il nuovo osservatore sia la riprogettazione del controllore saranno difficilmente disponibili entro il 2006, comunque si auspica la realizzazione di alcune prove preliminari.
3.3 Applicazione delle formulazioni di RWM al caso n=0
I risultati forniti dai metodi messi a punto nell’attività 2.3 saranno confrontati con quelli ottenuti dai modelli perturbativi assialsimmetrici. La prova non è insignificante, dato che le incognite principali nell’attività 2.3 includono lo spostamento locale del plasma, che non compare affatto nei modelli perturbativi assialsimmetrici.
3.4 L'analisi dei modi kink e di VDE asimmetrici nel JET
I metodi messi a punto nel Task 2 saranno applicati per tentare di comprendere i fenomeni che innescano i VDE asimmetrici, molto pericolosi per i grandi tokamak come JET ed ITER.
3.5 Applicazioni ad ITER
I metodi messi a punto nei Task 1 e 2 saranno applicati allo studio ed al progetto di ITER.
3.6 Applicazioni a RFX
I metodi messi a punto nei Task 1 e 2 saranno applicati allo studio di RFX.