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

Research in nuclear fusion devices is motivated by the increasing global demand of low-cost and eco-friendly energy. To meet the requirements for an economically attractive fusion power plant, new real-time control and data acquisition systems that support quasi-continuous plasma operation and unstable plasma scenarios have to be investigated. This thesis covers hardware and software design and codesign issues in real-time control and data acquisition for quasi-continuous nuclear experiments, with emphasis on the choice of data acquisition and generation hardware, central processing units, real-time operating systems and application frameworks. The work starts with an introduction to fusion science and magnetic nuclear fusion experimental devices. Two different experiments (RFX-mod and JET) are then presented in order to show several plasma instabilities that need to be controlled in real time, namely Magneto Hydro Dynamic modes stabilization (MHD) and Vertical Stabilization (VS). The thesis then focuses on the hardware design of data acquisition boards; moreover interpolation problems in analog to digital signal conversion that arise from the adoption of nonsimultaneous sampling instead of the established simultaneous sampling are covered. A section dedicated to Open-Source software that addresses Operating Systems and application frameworks for low latency real-time control and data acquisition follows. Linux with its Real-Time patches is proved to be a Hard Real-Time Operating System running on multicore CPUs along with resource partitioning and shielding. Different control computational models and software frameworks implementing them are presented; MARTe, among EPICS and many others, has shown the lowest latency and the most bounded jitter. The thesis ends with the design and implementation details of the proposal for the RFX-mod MHD control system upgrade.

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.