Advanced tools for plasma control in magnetic confinement fusion devices

In the context of the in-development RFX-mod2 experiment upgrade, this work carefully aims to evaluate possible critical conditions in real-time plasma parameters reconstruction (by means of computation of lower-order moments of toroidal current density), whenever the new set of poloidal magnetic field sensors would encounter some failures. The evaluation is performed on three experimental RFX-mod discharges and two numerically defined for future RFX-mod2 operations. Among them, various types of plasma shapes are present, with upper single null, lower single null, limiter plasma and negative triangularity. This is done to verify whether plasma shape and equilibrium characteristics might affect real-time parameters reconstruction. All the possible configurations between 1 and 12 faulty sensors have been analysed, giving a complete overview of moment reconstruction method behaviour in every possible scenario. Then, a further noise analysis has been performed over some key configurations, to prove the robustness of the method itself. The work is organized as follows. The first section provides an introduction concerning the nature of thermonuclear fusion and illustrates the most promising solutions for its development. In particular, it will be described the magnetic confinement fusion configuration appealed as tokamak, giving an overview of the operating principles. The second section deepens the aspects of the magnetostatic problem and provides the informations concerning the solution of the free-boundary equilibrium problem. In particular, is introduced the FRIDA code for the numeric solution of the magnetostatic problem. Data retrieved by the code output will then be utilized to obtain virtual measurements on RFX-mod2 magnetic sensor set. Third section provides a model for plasma parameters reconstruction from the magnetic sensors of RFX-mod2: the computation of lower order moments of the toroidal current density. The focus is put on understanding how to retrieve reliable plasma parameters, i.e. total plasma current and centroid position, when a reduced number of measurement is present, as happens in practical applications. Fourth section gives a description of the RFX-mod2 experiment, considering the main differences between its predecessor RFX-mod. Particular attention is given in describing the tokamak operations. Fifth section illustrates the equilibria utilized in this work, chosen among different plasma shapes as previously mentioned. Finally, the sixth chapter provides the results of the analysis of plasma parameters reconstruction considering the potential failure of several RFX-mod2 poloidal field sensors. In particular, all combinations of faulty sensors are analysed according to their positions in the machine.

Nel contesto dell'esperimento in via di sviluppo RFX-mod2, questo lavoro mira attentamente a valutare possibili condizioni critiche nella ricostruzione in tempo reale dei parametri di plasma (mediante il calcolo di momenti di ordine inferiore della densità di corrente toroidale), ogni qualvolta il nuovo set dei sensori di campo magnetico poloidale dovesse presentare un guasto. La valutazione viene eseguita su tre scariche sperimentali di RFX-mod e due simulate numericamente per future operazioni di RFX-mod2. Queste presentano varie forme plasma, con nullo singolo superiore, nullo singolo inferiore, limiter ed a triangolarità negativa. Questo viene fatto per verificare se la forma del plasma e le caratteristiche dell’equilibrio in qualche modo influenzino la ricostruzione dei parametri in tempo reale. Sono state analizzate tutte le possibili configurazioni comprese tra 1 e 12 sensori guasti, fornendo una panoramica completa della validità del metodo di ricostruzione mediante i momenti della densità di corrente toroidale in ogni possibile scenario. Quindi, è stata eseguita un'ulteriore analisi presentante del rumore all’interno delle misure su alcune configurazioni chiave, per dimostrare la robustezza del metodo stesso. Il lavoro è organizzato come segue. La prima sezione fornisce un'introduzione riguardante la natura della fusione termonucleare e illustra le soluzioni più promettenti per il suo sviluppo. In particolare, si descriverà la fusione a confinamento magnetico in configurazione tokamak, fornendo una panoramica dei principi di funzionamento. La seconda sezione approfondisce gli aspetti riguardanti il problema magnetostatico e fornisce le informazioni relative alla soluzione del problema free-boundary di equilibrio. In particolare, viene introdotto il codice FRIDA per la soluzione numerica del problema magnetostatico. I dati forniti dall’output del codice serviranno quindi per ricavare le misure virtuali dei sensori di campo magnetico di RFX-mod2. La terza sezione fornisce un modello per la ricostruzione dei parametri di plasma a partire dalle misure dei sensori di RFX-mod2: il calcolo dei momenti della densità di corrente toroidale di ordine inferiore. L'obiettivo è capire come ricostruire i parametri di plasma, ossia la corrente totale di plasma e la posizione del centroide, quando è presente un numero ridotto di misure, come accade nelle applicazioni reali. La quarta sezione fornisce una descrizione dell'esperimento RFX-mod2, considerando le principali differenze rispetto al suo predecessore RFX-mod. Particolare attenzione viene data alla descrizione delle operazioni tokamak. La quinta sezione illustra gli equilibri utilizzati in questo lavoro, scelti tra diverse forme di plasma come precedentemente accennato. Infine, il sesto capitolo fornisce i risultati dell'analisi della ricostruzione dei parametri di plasma considerando il potenziale guasto di diversi sensori di campo poloidale RFX-mod2. In particolare sono state analizzate tutte le combinazioni di sensori guasti a seconda delle loro posizioni nella macchina.