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

This thesis represents the summary of the research activities carried out during a three-years Ph.D. project. The work is divided into two parts, with the common feature of investigating the physical properties related to stability and control of Magneto-Hydro-Dynamic modes in fusion relevant plasmas. One of the aims of the work is to better understand the interaction between such plasmas and a wide range of 3-dimensional electro-magnetic boundary conditions. This part of the research has been carried out on the RFX-mod device, where advanced control strategies have been developed thanks to its state-of-the-art magnetic feedback system. A variety of interlaced problems have been addressed, starting with the improvement of the vacuum magnetic field spectrum through actuator-sensor decoupling, compensation of broken or deactivated coils with simple and real-time applicable strategies and multi-modal Resistive Wall Mode control with varying coil number and geometry. This has allowed to develop relevant control optimization techniques and knowledge for both the Reversed Field Pinch and Tokamak configurations. The former is an excellent playground for RWM studies, given the instability spectrum that is naturally developing. For the latter configuration instead, RWM stability is considered to be one major milestone to be achieved along the road to a commercial fusion reactor. The second part of the work is dedicated to this issue, and deals with the stability properties of Advanced Tokamak scenarios, with reference to the JT-60SA experiment in particular. Studies to understand RWM physics in high beta plasmas, where fluid rotation profiles and hot ions populations from Neutral Beams can play an important role, have been carried out with the MARS-F/K linear MHD codes. If detailed physics such as kinetic effects is coupled to a simplified description of the passive/active structures on one side, on the other hand a simplified plasma can be coupled to a complex 3-D model of the structures to assess realistic active control capabilities of a given system. Different tools are used and described for studying RWM damping physics, and to five a proof-of-principle for feedback control of such instabilities in Advanced Tokamak plasmas operating beyond the no-wall pressure limit.

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.