Questa Tesi presenta una serie di risultati sullo sviluppo di avanzati schemi di feedback per il controllo di instabilità magnetoidrodinamiche (MHD) e di campi errori ottenuti in due esperimenti toroidali a connamento magnetico: il reversed-eld pinch (RFP) RFX-mod, a Padova, Italia, e il tokamak DIII-D, presso la General Atomics, San Diego, CA, USA. Negli ultimi anni, questi due esperimenti hanno esplorato differenti tipi di regimi ad alte prestazioni, anche grazie ai loro sofisticati sistemi di controllo attivo. Ad RFX-mod, esperimenti ad alta corrente di plasma, sino a 2MA, sono stati realizzati per la prima volta in un RFP. Questi esperimenti hanno permesso la scoperta di un nuovo equilibrio elicoidale, auto-organizzato e con buone proprietà di connamento [40]. Invece, a DIII-D scenari stazionari ed operazioni ad alte prestazioni vengono investigati. I programmi scientifici di questi esperimenti, in particolar modo il controllo di campi errori e di instabilità MHD, possono dare preziosi contributi all'International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) e, più in generale, alla ricerca nel campo della fusione. Il RFP e il tokamak sono esperimenti toroidali per il connamento magnetico di plasmi termonucleari. Un'introduzione alla fusione termonucleare, i principali requisiti per sfruttare la fusione come una sorgente di energia per il futuro, il connamento magnetico del plasma, e il modello MHD che descrive il comportamento del plasma in molti casi di interesse, verranno descritti nel Capitolo 1. Il ruolo del controllo dei campi magnetici in feedback per lo sviluppo di regimi operazionali avanzati in RFX-mod e a DIII-D verrà anche discusso in questo Capitolo. Il Capitolo 2 descrive gli esperimenti sopra citati e i relativi sistemi di controllo dei campi magnetici in feedback. Questi infatti sono muniti di sistemi molto essibili per il controllo di instabilita MHD e di campi errori. In particolar modo, verranno presentate le strategie di controllo in feedback che sono cruciali per il lavoro discusso in questa Tesi. Il primo risultato importante di questa Tesi è riportato nel Capitolo 3 e riguarda l'ottimizzazione del controllore a multi-modo delle instabilita tearing di RFX-mod. I modi tearing, che sostengono la congurazione a campo rovesciato tipica degli esperimenti RFP attraverso un meccanismo di dinamo, non possono essere completamente soppressi dal controllo dei campi magnetici in feeedback. Ciò nonostante, è importante ridurre la loro ampiezza di campo magnetico radiale al bordo del plasma al più piccolo valore possibile, dal momento che questa produce una deformazione dell'ultima superficie chiusa di flusso, aumentando l'interazione plasmaparete. In questo lavoro, il controllo dei modi tearing è stato ottimizzato utilizzando un modello non lineare che simula la dinamica dei modi tearing in presenza del layout a multipla shell di RFX-mod e del sistema per il controllo di campi magnetici in feedback. Questo modello dei modi tearing è stato sviluppato in un codice chiamato RFXlocking che è stato descritto in [84]. Dato il buon accordo tra le predizioni del modello e il comportamento dei modi nell'esperimento, il codice RFXlocking è stato usato per identicare un nuovo set di parametri di controllo (i.e. i guadagni del feedback), che permetta di ridurre l'ampiezza radiale dei modi tearing al bordo del plasma, mantenendo allo stesso tempo i modi in rotazione ed evitando saturazioni di corrente nelle bobine di controllo. L'approccio per l'ottimizzazione prevede di simulare la dinamica dei modi tearing al variare dei guadagni del feedback, e di identicare un set di guadagni che soddisfa le richieste sopra descritte. Una volta trovato il set di guadagni ispirato dal modello, una lunga campagna sperimentale è stata fatta ottenendo soddisfacenti risultati in termine di riduzione di campo magnetico radiale al bordo del plasma e confermando così le previsioni del codice. L'ottimizzazione del controllo dei campi magnetici in feedback svolta in questo lavoro di Tesi non ha solo riguardato i modi tearing ma anche i principali campi errori in RFX-mod. La presenza di tagli in direzione poloidale nella struttura conduttiva di RFX-mod modica il pattern delle correnti immagine indotte dal campo magnetico verticale durante la fase di salita di corrente di plasma, inducendo campi errori localizzati dove i modi tearing hanno un'inteferenza costruttiva. Due tecniche di controllo in feedback sono state utilizzate per sopprimere questi campi errori: uno schema di controllo a multi modo e il disaccoppiatore dinamico. Per quanto riguarda la prima strategia di controllo, un modello di Simulink del sistema magnetico di feedback di RFX-mod è stato usato per identicare i guadagni del feedback, che permettono di ridurre signicativamente l'ampiezza del campo errore, evitando saturazioni di corrente nelle bobine di controllo. Un disaccopiatore dinamico è stato usato per calcolare le correnti nelle bobine di controllo necessarie a cancellare i campi errore. Come verrà descritto nel Capitolo 4, durante una campagna sperimentale dedicata, queste due tecniche sono state testate. Il miglior risultato in termini di riduzione dei campi errore è stato ottenuto quando il controllore a multi-modo e il disaccopiatore sono stati usati contemporaneamente. Quando la correzione del campi errori è applicata durante la fase di salita di corrente di plasma, l'interferenza costruttiva tra i modi tearing non è piu localizzata vicino ai tagli in direzione poloidale della struttura conduttrice, in questo modo viene ridotta l'interazione plasma-parete in queste zone. Come accennato precedentemente, gli esperimenti ad alta corrente in RFX-mod hanno rivelato un nuovo regime promettente, in cui l'RFP evolve spontaneamente in uno stato elicoidale Ohmico. Questo nuovo equilibrio magnetico è caratterizzato da un singolo asse magnetico elicoidale e da superci magnetiche elicoidali all'interno del plasma. Questo produce una diminuzione del trasporto stocastico e la formazione di proli di temperatura elettronica molto ripidi. Nell'ultima campagnia sperimentale è stato dimostrato che un equilibrio elicoidale con elicità (1,-7) può essere indotto e controllato applicando condizioni elicoidali al bordo del plasma per mezzo del sistema magnetico di feedback. In questo lavoro di Tesi, il Capitolo 5 e il Capitolo 6 descrivono l'ottimizzazione delle perturbazioni magnetiche elicoidali usate per controllare l'equilibrio elicoidale. La procedura di ottimizzazione usa le stesse strategie di controllo che sono state adottate per migliorare il controllo dei modi tearing e dei campi errori. Il codice RFXlocking è stato modificato permettendo di applicare condizioni elicoidali al bordo del plasma. In questo modo, la dinamica dei modi può essere simulata con questo nuovo boundary elicoidale, al variare dei guadagni di feedback, dell'ampiezza e della fase delle perturbazioni elicoidali imposte al bordo del plasma. Un approccio di ottimizzazione ispirato dal modello, simile a quello descritto nel Capitolo 3, è stato adottato in questo caso per identicare i guadagni di feedback che permettono di produrre il richiesto pattern di campo radiale al bordo del plasma con la minor richiesta di corrente nelle bobine di controllo. Uno scan parziale dei guadagni è stato svolto nell'esperimento e i risultati confermano le predizioni del modello. I risultati salienti dell'ottimizzazione ispirata dal modello e le prestazioni del plasma negli stati elicoidali sostenuti imponendo condizioni elicoidali al bordo plasma sono descritti nel Capitolo 5. Analisi di esperimenti a vuoto, descritte nel Capitolo 6, rivelano che, quando una perturbazione rotante di campo magnetico viene applicata dal sistema di feedback, come nel caso degli stati elicoidali descritti sopra, campi errori vengono indotti dalla risposta in frequenza della struttura conduttrice ai campi magnetici esterni che variano nel tempo. Questi campi errori, che sono indotti principalmente dalla presenza di tagli in direzione toroidale e poloidale nella struttura conduttrice, possono in qualche modo influenzare le proprietà di buon connamento degli stati elicoidali. Per questo motivo un disaccoppiatore dinamico, simile a quello usato per correggere i campi errori durante la fase di salita delle corrente, è stato utilizzato. Esperimenti a vuoto mostrano risultati incoraggianti in termini di riduzione dell'ampiezza del campo errore. La risposta in frequenza della struttura conduttiva ad un campo magnetico variabile nel tempo è stata esaminata anche nell'esperimento DIII-D, durante una collaborazione tra i gruppi di ricerca di RFX-mod e di DIII-D. Nell'algoritmo di controllo di DIII-D, le misure di campo magnetico sono compensate in tempo reale dai campi magnetici spuri, che possono essere indotti dalle bobine di controllo o dalle bobine assialsimmetriche. Questi contributi esterni sono calcolati dai coefficienti di accoppiamento tra ciascun attuatore e sensore, a frequenza nulla. In questo approccio, gli effetti delle correnti immagine indotte nella struttura conduttiva vengono trascurati. L'importanza di questi effetti che dipendono dalla frequenza, o effetti AC, per il controllo di RWM e di campi errori è stata valutata analizzando esperimenti precedenti. Le analisi suggeriscono che campi errori possono essere indotti quando viene applicato il controllo in feedback se la risposta in frequenza delle strutture conduttive non è inclusa nell'algoritmo di feedback di compensazione. Questi possono risultare importanti specialmente ad alto β regime in cui i campi errori residui possono essere amplicati dal plasma. Un algoritmo di compensazione AC e stato implementato e testato in tempo reale in spari a vuoto e in spari Ohmici. Un maggior numero di test di questo algoritmo ad alto β è stato proposto per la prossima campagna sperimentale per testare la sua rilevanza nella performance del plasma quando questo è più soggetto ai campi errori. I risultati più salienti di questo lavoro di Tesi sono discussi nel Capitolo 7. Il Capitolo 8 riassume le conclusioni principali di questo lavoro e presenta degli esperimenti che posso essere eseguiti ad RFX-mod e a DIII-D nel futuro prossimo che possono indagare ulteriormente gli studi iniziati in questo lavoro di Tesi.

Improved feedback control of MHD instabilities and errors fields in reversed-field pinch and tokamak

PIRON, LIDIA
2011

Abstract

Questa Tesi presenta una serie di risultati sullo sviluppo di avanzati schemi di feedback per il controllo di instabilità magnetoidrodinamiche (MHD) e di campi errori ottenuti in due esperimenti toroidali a connamento magnetico: il reversed-eld pinch (RFP) RFX-mod, a Padova, Italia, e il tokamak DIII-D, presso la General Atomics, San Diego, CA, USA. Negli ultimi anni, questi due esperimenti hanno esplorato differenti tipi di regimi ad alte prestazioni, anche grazie ai loro sofisticati sistemi di controllo attivo. Ad RFX-mod, esperimenti ad alta corrente di plasma, sino a 2MA, sono stati realizzati per la prima volta in un RFP. Questi esperimenti hanno permesso la scoperta di un nuovo equilibrio elicoidale, auto-organizzato e con buone proprietà di connamento [40]. Invece, a DIII-D scenari stazionari ed operazioni ad alte prestazioni vengono investigati. I programmi scientifici di questi esperimenti, in particolar modo il controllo di campi errori e di instabilità MHD, possono dare preziosi contributi all'International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) e, più in generale, alla ricerca nel campo della fusione. Il RFP e il tokamak sono esperimenti toroidali per il connamento magnetico di plasmi termonucleari. Un'introduzione alla fusione termonucleare, i principali requisiti per sfruttare la fusione come una sorgente di energia per il futuro, il connamento magnetico del plasma, e il modello MHD che descrive il comportamento del plasma in molti casi di interesse, verranno descritti nel Capitolo 1. Il ruolo del controllo dei campi magnetici in feedback per lo sviluppo di regimi operazionali avanzati in RFX-mod e a DIII-D verrà anche discusso in questo Capitolo. Il Capitolo 2 descrive gli esperimenti sopra citati e i relativi sistemi di controllo dei campi magnetici in feedback. Questi infatti sono muniti di sistemi molto essibili per il controllo di instabilita MHD e di campi errori. In particolar modo, verranno presentate le strategie di controllo in feedback che sono cruciali per il lavoro discusso in questa Tesi. Il primo risultato importante di questa Tesi è riportato nel Capitolo 3 e riguarda l'ottimizzazione del controllore a multi-modo delle instabilita tearing di RFX-mod. I modi tearing, che sostengono la congurazione a campo rovesciato tipica degli esperimenti RFP attraverso un meccanismo di dinamo, non possono essere completamente soppressi dal controllo dei campi magnetici in feeedback. Ciò nonostante, è importante ridurre la loro ampiezza di campo magnetico radiale al bordo del plasma al più piccolo valore possibile, dal momento che questa produce una deformazione dell'ultima superficie chiusa di flusso, aumentando l'interazione plasmaparete. In questo lavoro, il controllo dei modi tearing è stato ottimizzato utilizzando un modello non lineare che simula la dinamica dei modi tearing in presenza del layout a multipla shell di RFX-mod e del sistema per il controllo di campi magnetici in feedback. Questo modello dei modi tearing è stato sviluppato in un codice chiamato RFXlocking che è stato descritto in [84]. Dato il buon accordo tra le predizioni del modello e il comportamento dei modi nell'esperimento, il codice RFXlocking è stato usato per identicare un nuovo set di parametri di controllo (i.e. i guadagni del feedback), che permetta di ridurre l'ampiezza radiale dei modi tearing al bordo del plasma, mantenendo allo stesso tempo i modi in rotazione ed evitando saturazioni di corrente nelle bobine di controllo. L'approccio per l'ottimizzazione prevede di simulare la dinamica dei modi tearing al variare dei guadagni del feedback, e di identicare un set di guadagni che soddisfa le richieste sopra descritte. Una volta trovato il set di guadagni ispirato dal modello, una lunga campagna sperimentale è stata fatta ottenendo soddisfacenti risultati in termine di riduzione di campo magnetico radiale al bordo del plasma e confermando così le previsioni del codice. L'ottimizzazione del controllo dei campi magnetici in feedback svolta in questo lavoro di Tesi non ha solo riguardato i modi tearing ma anche i principali campi errori in RFX-mod. La presenza di tagli in direzione poloidale nella struttura conduttiva di RFX-mod modica il pattern delle correnti immagine indotte dal campo magnetico verticale durante la fase di salita di corrente di plasma, inducendo campi errori localizzati dove i modi tearing hanno un'inteferenza costruttiva. Due tecniche di controllo in feedback sono state utilizzate per sopprimere questi campi errori: uno schema di controllo a multi modo e il disaccoppiatore dinamico. Per quanto riguarda la prima strategia di controllo, un modello di Simulink del sistema magnetico di feedback di RFX-mod è stato usato per identicare i guadagni del feedback, che permettono di ridurre signicativamente l'ampiezza del campo errore, evitando saturazioni di corrente nelle bobine di controllo. Un disaccopiatore dinamico è stato usato per calcolare le correnti nelle bobine di controllo necessarie a cancellare i campi errore. Come verrà descritto nel Capitolo 4, durante una campagna sperimentale dedicata, queste due tecniche sono state testate. Il miglior risultato in termini di riduzione dei campi errore è stato ottenuto quando il controllore a multi-modo e il disaccopiatore sono stati usati contemporaneamente. Quando la correzione del campi errori è applicata durante la fase di salita di corrente di plasma, l'interferenza costruttiva tra i modi tearing non è piu localizzata vicino ai tagli in direzione poloidale della struttura conduttrice, in questo modo viene ridotta l'interazione plasma-parete in queste zone. Come accennato precedentemente, gli esperimenti ad alta corrente in RFX-mod hanno rivelato un nuovo regime promettente, in cui l'RFP evolve spontaneamente in uno stato elicoidale Ohmico. Questo nuovo equilibrio magnetico è caratterizzato da un singolo asse magnetico elicoidale e da superci magnetiche elicoidali all'interno del plasma. Questo produce una diminuzione del trasporto stocastico e la formazione di proli di temperatura elettronica molto ripidi. Nell'ultima campagnia sperimentale è stato dimostrato che un equilibrio elicoidale con elicità (1,-7) può essere indotto e controllato applicando condizioni elicoidali al bordo del plasma per mezzo del sistema magnetico di feedback. In questo lavoro di Tesi, il Capitolo 5 e il Capitolo 6 descrivono l'ottimizzazione delle perturbazioni magnetiche elicoidali usate per controllare l'equilibrio elicoidale. La procedura di ottimizzazione usa le stesse strategie di controllo che sono state adottate per migliorare il controllo dei modi tearing e dei campi errori. Il codice RFXlocking è stato modificato permettendo di applicare condizioni elicoidali al bordo del plasma. In questo modo, la dinamica dei modi può essere simulata con questo nuovo boundary elicoidale, al variare dei guadagni di feedback, dell'ampiezza e della fase delle perturbazioni elicoidali imposte al bordo del plasma. Un approccio di ottimizzazione ispirato dal modello, simile a quello descritto nel Capitolo 3, è stato adottato in questo caso per identicare i guadagni di feedback che permettono di produrre il richiesto pattern di campo radiale al bordo del plasma con la minor richiesta di corrente nelle bobine di controllo. Uno scan parziale dei guadagni è stato svolto nell'esperimento e i risultati confermano le predizioni del modello. I risultati salienti dell'ottimizzazione ispirata dal modello e le prestazioni del plasma negli stati elicoidali sostenuti imponendo condizioni elicoidali al bordo plasma sono descritti nel Capitolo 5. Analisi di esperimenti a vuoto, descritte nel Capitolo 6, rivelano che, quando una perturbazione rotante di campo magnetico viene applicata dal sistema di feedback, come nel caso degli stati elicoidali descritti sopra, campi errori vengono indotti dalla risposta in frequenza della struttura conduttrice ai campi magnetici esterni che variano nel tempo. Questi campi errori, che sono indotti principalmente dalla presenza di tagli in direzione toroidale e poloidale nella struttura conduttrice, possono in qualche modo influenzare le proprietà di buon connamento degli stati elicoidali. Per questo motivo un disaccoppiatore dinamico, simile a quello usato per correggere i campi errori durante la fase di salita delle corrente, è stato utilizzato. Esperimenti a vuoto mostrano risultati incoraggianti in termini di riduzione dell'ampiezza del campo errore. La risposta in frequenza della struttura conduttiva ad un campo magnetico variabile nel tempo è stata esaminata anche nell'esperimento DIII-D, durante una collaborazione tra i gruppi di ricerca di RFX-mod e di DIII-D. Nell'algoritmo di controllo di DIII-D, le misure di campo magnetico sono compensate in tempo reale dai campi magnetici spuri, che possono essere indotti dalle bobine di controllo o dalle bobine assialsimmetriche. Questi contributi esterni sono calcolati dai coefficienti di accoppiamento tra ciascun attuatore e sensore, a frequenza nulla. In questo approccio, gli effetti delle correnti immagine indotte nella struttura conduttiva vengono trascurati. L'importanza di questi effetti che dipendono dalla frequenza, o effetti AC, per il controllo di RWM e di campi errori è stata valutata analizzando esperimenti precedenti. Le analisi suggeriscono che campi errori possono essere indotti quando viene applicato il controllo in feedback se la risposta in frequenza delle strutture conduttive non è inclusa nell'algoritmo di feedback di compensazione. Questi possono risultare importanti specialmente ad alto β regime in cui i campi errori residui possono essere amplicati dal plasma. Un algoritmo di compensazione AC e stato implementato e testato in tempo reale in spari a vuoto e in spari Ohmici. Un maggior numero di test di questo algoritmo ad alto β è stato proposto per la prossima campagna sperimentale per testare la sua rilevanza nella performance del plasma quando questo è più soggetto ai campi errori. I risultati più salienti di questo lavoro di Tesi sono discussi nel Capitolo 7. Il Capitolo 8 riassume le conclusioni principali di questo lavoro e presenta degli esperimenti che posso essere eseguiti ad RFX-mod e a DIII-D nel futuro prossimo che possono indagare ulteriormente gli studi iniziati in questo lavoro di Tesi.
31-gen-2011
Inglese
MHD and Error Field Control
Università degli studi di Padova
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