Modelling and control of RFX-mod tokamak equilibria

La presente tesi tratta la modellazione e il controllo di plasmi in equilibrio, a sezione non circolare e relativi all’esperimento RFX-mod operante come tokamak. L’obiettivo è di sviluppare un modello complessivo di RFX-mod (includendo plasmaconduttori- controllore) con finalità di controllo elettromagnetico del plasma. L’esperimento RFX-mod è stato descritto con modelli caratterizzati da un crescente livello di complessità, coinvolgendo sia dati teorici che sperimentali. Il codice CREATE-L è stato usato per lo sviluppo di modelli linearizzati di risposta di plasma, con ipotesi semplificative sulla rappresentazione delle strutture conduttrici (approssimazione assialsimmetrica). Questi modelli, grazie alla loro semplicità, sono stati utilizzati per la progettazione del sistema di controllo. Il codice CarMa0 è stato usato per sviluppare modelli analoghi ma con una rappresentazione tridimensionale delle strutture conduttrici; questi permettono di verificare l’accuratezza dei modelli semplificati e indagare l’importanza delle strutture tridimensionali sulla dinamica del sistema. Il codice CarMa0NL ha permesso la trattazione di fenomeni evolutivi nel tempo e nonlineari (e.g. disruzioni, transizioni limiter-divertor, transizioni L-H etc.). L’attività può essere suddivisa in due parti: la prima riguarda la modellizzazione di plasmi a basso β teorici, non ottenuti sperimentalmente, usati come riferimento per la progettazione e l’implementazione del sistema di controllo della forma e della posizione verticale del plasma; la seconda parte, è legata ai risultati delle campagne sperimentali sui plasmi a sezione non circolari in diversi regimi, dal basso β al modo H, con particolare attenzione allo sviluppo di un nuovo modello linearizzato di risposta di plasma per i nuovi regimi di equilibrio raggiunti. L’attività di ricerca è caratterizzata da molteplici problematiche e peculiarità sia in termini di modellazione che di controllo. La pronunciata non circolarità della forma di plasma e i diversi regimi coinvolti hanno influenzato fortemente l’attività di modellazione che ha richiesto, infatti, lo sviluppo di molteplici strumenti computazionali e di analisi dati. Per quanto concerne il controllo, la non completa osservabilità della dinamica del sistema e la necessità di ridurre l’ordine del modello sono solo alcuni degli aspetti che hanno determinato la progettazione del sistema di controllo di forma e di posizione verticale. La prima parte è basata su dati teorici generati dal codice di equilibrio MAXFEA e poi utilizzati per derivare il modello linearizzato attraverso il codice CREATE-L. In questo contesto, sono stati prodotti due modelli di riferimento per le configurazioni magnetiche relative a plasmi non circolari: il singolo nullo inferiore (LSN) e il singolo nullo superiore (USN). I modelli CREATE-L sono i più semplici in termini di complessità di modellazione, in quanto le strutture conduttive della macchina sono descritte nell’approssimazione assialsimmetrica. D’altro canto, le proprietà semplici ma affidabili del modello CREATE-L hanno portato alla progettazione del sistema di controllo di forma e posizione verticale del plasma di RFX-mod, che è stato in seguito testato e utilizzato con successo per aumentare le prestazioni del plasma. Successivamente, è stata condotta un’analisi sui possibili effetti 3D delle strutture conduttrici sulle due configurazioni di plasma di riferimento, producendo dunque modelli linearizzati caratterizzati da un sempre maggiore livello di complessità. Una dettagliata descrizione volumetrica (3D) delle strutture conduttrici di RFX-mod è stata eseguita e inclusa nei modelli linearizzati di plasma attraverso il codice CarMa0. Successivamente, è stato eseguito un confronto tra l’accuratezza di questo modello e quello precedente 2D. Le diverse ipotesi e approssimazioni dei vari modelli consentono una chiara identificazione dei fenomeni chiave che governano l’evoluzione dell’instabilità verticale n = 0 in scariche RFX-mod tokamak e quindi forniscono informazioni fondamentali nella pianificazione ed esecuzione di esperimenti correlati oltre che nella raffinazione del progetto del sistema di controllo. Infine, il modello di equilibrio evolutivo non lineare CarMa0NL, che comprende le strutture volumetriche 3D, è stato utilizzato per modellare gli effetti non lineari simulando una variazione di corrente lineare "fittizia". La seconda parte è costituita da un’attività di modellazione strettamente correlata ai risultati delle campagne sperimentali. In particolare, sono stati eseguiti nuovi modelli linearizzati per i plasmi sperimentali nella configurazione USN per tutti i regimi di plasma coinvolti, cioè dal basso β fino al modo H. È stata ideata e sviluppata una procedura iterativa per la produzione di modelli linearizzati di risposta di plasma estremamente accurati, al fine di riprodurre al meglio i dati sperimentali. I nuovi modelli hanno consentito ulteriori studi sulla stabilità verticale, inclusi gli effetti della parete 3D, nei tre diversi regimi studiati (basso β, β intermedio, modo H). I modelli linearizzati assialsimmetrici (CREATE-L) sono stati analizzati dal punto di vista della teoria dei controlli, rilevando caratteristiche peculiari in termini di funzione di trasferimento SISO associata al controllo della stabilità verticale e in termini di modello completo MIMO relativo al controllo di forma. Il modello MIMO è stato utilizzato per indagare le oscillazioni nella forma del plasma osservate sperimentalmente in alcune scariche a β intermedio. L’evoluzione temporale non lineare della scarica di plasma, per plasmi sperimentali a regimi a basso β, è stata effettuata usando il codice di equilibrio evolutivo CarMa0NL. Infine, è stata studiata l’instabilità verticale per i plasmi sperimentali in termini di un possibile rapporto tra i parametri del plasma e il suo verificarsi; a tal fine è stata eseguita la soluzione del problema inverso per la produzione di equilibri di plasma teorici di riferimento, prodotti come variazioni sui parametri dei plasmi osservati sperimentalmente, il che comporta una vasta gamma di metodi numerici descritti in dettaglio. Successivamente, è stato adottato un test di ipotesi statistica per confrontare i valori medi dei parametri di plasma, sia sperimentali che teorici, associati a due diversi comportamenti in termini di stabilità verticale.