Advanced Tools for Three-Dimensional Modeling and Control of Thermonuclear Fusion Devices

Questa tesi rappresenta la raccolta delle attività svolte durante i tre anni di un progetto di Dottorato di Ricerca. Il lavoro è stato diviso principalmente in due parti, con il comune denominatore di investigare le problematiche relative alla stabilità e al controllo di instabilità Magneto-Idro-Dinamiche in plasmi di interesse fusionistico. Uno dei principali obiettivi di questo lavoro è lo studio di come questi plasmi interagiscano con diverse condizioni al contorno, strutturali ed elettro-magnetiche, con caratteristiche tridimensionali. Questa parte della ricerca è stata svolta sull'esperimento RFX-mod, dove è stato possibile sviluppare peculiari strategie di controllo grazie all'avanzato sistema di controllo attivo. Sono state affrontate varie problematiche tra loro interconnesse, a partire dallo sviluppo di tecniche per il miglioramento del contenuto armonico dei campi magnetici di vuoto tramite disaccoppiamento attuatori-sensori. Da ciò è stato sviluppato un metodo semplificato e applicabile in tempo reale per la compensazione di attuatori rotti o disattivati, con il medesimo obiettivo di migliorare il contenuto armonico dei campi magnetici prodotti dal sistema di controllo reale. A conclusione di questa parte il controllo multi-modale di modi di parete resistiva (RWM) è stato affrontato, dal punto di vista modellistico e sperimentale. Le strategie sviluppate e gli studi effettuati sono rilevanti sia per la configurazione Reversed Field Pinch sia per il Tokamak. Il primo è un ottimo terreno di prova per studiare i modi RWM, per via dello spettro di instabilità che naturalmente sviluppa. Per la seconda configurazione invece, la stabilizzazione dei modi RWM è considerato uno dei principali obiettivi da raggiungere sulla strada verso un reattore a fusione commerciale. La seconda parte del lavoro è relativa proprio alla problematica della stabilità RWM nella configurazione Tokamak, in particolar modo negli scenari avanzati in fase di sviluppo per l'esperimento JT-60SA. Una serie di studi è stata portata avanti con i codici MARS-F/K per determinare le proprietà dei modi RWM in plasmi ad alto beta, nei quali i profili di rotazione e le popolazioni di ioni sovra termici provenienti dagli iniettori di neutri possono giocare un ruolo importante. Da un lato una descrizione dettagliata del plasma, includendo gli effetti cinetici, è stata accoppiata a un modello semplificato e bidimensionale delle strutture passive. D'altra parte una più semplice descrizione del plasma è stata considerata per l'accoppiamento con un modello dettagliato e tridimensionale delle strutture attive e passive, in quest'ultimo caso è stato possibile sviluppare un modello di controllo attivo in catena chiusa dei modi RWM.