Emerging Hardware Architectures and Advanced Open-Source Software Technologies for Real-Time Control and Data Acquisition in Quasi-Continuous Nuclear Fusion Experiments

La ricerca sulla fusione nucleare oggigiorno é fortemente motivata dal continuo aumento della richiesta globale di energia a basso costo ed ecocompatibile. Per poter soddisfare i requisiti per la costruzione di impianti da fusione commerciali devono essere studiati nuovi sistemi per il controllo in tempo reale e l'acquisizione dati, che supportano esperimenti con plasma quasi-continui e scenari di plasmi non stabili. Questa tesi tratta delle soluzioni hardware e software per il controllo in tempo reale e l'acquisizione dati negli esperimenti fusionistici operanti in modalitá quasi continua. La tesi presenta un'indagine sulle schede per l'acquisizione e la generazione dati, sulla scelta dell'elaboratore, sui sistemi operativi in tempo reale e sui framework applicativi. Il lavoro incomincia con un'introduzione teorica sulla fusione termonucleare e alcuni dispositivi esperimentali per la fusione. In particolare due diversi esperimenti (RFX-mod e JET) vengono presentati per identificare diverse instabilitá presenti nel plasma che devono essere controllate in tempo reale, queste sono la stabilizzazione dei modi Magneto-Hydro dinamici (MHD) e la stabilizzazione verticale (VS). Segue una parte dedicata all'analisi delle diverse architetture di acquisizione dati realizzati in dispositivi commerciali. Quindi viene discusso come riallineare digitalmente, tramite interpolazione o filtri passa-tutto, dei segnali analogici acquisiti con campionamento non simultaneo utilizzando schede con diversi ingressi multiplexati su un unico convertitore. Vi é quindi una sezione dedicata al software libero dedicata in particolare ai sistemi operativi e ai framework applicativi con provata bassa latenza utilizzabili per il controllo in tempo reale e l'acqusizione dati. Linux, corredato delle sue real-time patches, dimostrata di essere un sistema operativo deterministico (real-time) se opportunamente configurato su sistemi multiprocessore utilizzando le tecniche di partizionamento e schermatura delle risorse. Diversi modelli computazionali e alcuni framework applicativi che li implementano vengono analizzati. MARTe tra EPICS e altri software per il controllo presenta la latenza piú bassa e il jitter piú contenuto. La tesi si conclude con il progetto di aggiornamento del sistema di controllo dei modi MHD dell'esperimento RFX-mod.