In the context of magnetic confinement nuclear fusion, RFX-mod2 is the largest experiment in the world based on the Reversed Field Pinch (RFP) configuration. The RFP is a type of toroidal magnetic confinement studied as an alternative to the more widespread Tokamak. Although less popular, the RFP offers potential advantages that could make it a competitive alternative to the other configurations. In RFX, to ensure optimal experimental conditions, the device’s internal chamber must be periodically cleaned of contaminants accumulated during operations to improve the plasma performances. Over the years, various impurity removal systems have been developed. In the latest version, RFX-mod2, the Pulse Discharge Cleaning (PDC) system will be necessary. This system uses repeated low-current plasma pulses (50kA, compared to the nominal 2MA). The generated ions bombard the surface, removing adsorbed atoms and restoring the surface. The pulses are generated by charging a capacitor bank with a high-voltage power supply and discharging it through a static switch onto RFX windings, initiating a plasma pulse. This thesis focuses on the modelling and validation of the Pulse Discharge Cleaning (PDC) system, with particular attention to the subsystems responsible for generating plasma pulses: high-voltage power supplies, capacitor banks, RFX magnetic circuits, and auxiliary systems. Given the system’s complexity, special attention was devoted to modelling the high-voltage power supply and its subsystems, as well as the RFX magnetic system essential for plasma pulse generation. Control strategies and regulators suitable for achieving the required level of detail in the power supply modelling are proposed. The other subsystems are modelled using simpler approaches, given their lower complexity. Experimental tests on the analogue boards of the power supply followed, aiming to validate their relative models. For each board, the layout, testing procedures, and results are detailed. Finally, preliminary testing procedures for the entire PDC system are proposed for future implementation to complete the overall model validation. The preliminary results obtained from the board tests indicate that the developed models accurately capture the primary behaviours of the PDC.

RFX-mod2 è il più grande esperimento al mondo basato sulla configurazione Reversed Field Pinch (RFP) per il confinamento magnetico del plasma, nel contesto della fusione nucleare. L'RFP, o configurazione con strizione a campo rovesciato, è una configurazione toroidale di confinamento magnetico studiata come alternativa al più diffuso Tokamak. Sebbene meno popolare, l'RFP offre potenziali vantaggi che potrebbero renderlo competitivo rispetto ad altre configurazioni. In RFX, per garantire le migliori condizioni sperimentali, è necessario pulire periodicamente la camera interna del dispositivo da contaminanti che si accumulano durante le operazioni, per migliorare le prestazioni del plasma. Nel corso degli anni sono stati sviluppati vari sistemi per la rimozione delle impurità. Nella versione più recente, RFX-mod2, sarà necessario il sistema Pulse Discharge Cleaning (PDC). Questo sistema utilizza impulsi di plasma ripetuti a bassa corrente (50kA, rispetto ai nominali 2MA). Gli ioni generati bombardano la superficie, rimuovendo gli atomi adsorbiti ripristinando la superficie. Gli impulsi vengono generati caricando un banco di condensatori con un alimentatore ad alta tensione e scaricandoli attraverso un'interruttore statico sugli avvolgimenti di RFX, innescando una scarica di plasma. Questa tesi si focalizza sulla modellazione e validazione del sistema Pulse Discharge Cleaning (PDC), con particolare attenzione ai sottosistemi responsabili della generazione degli impulsi di plasma: alimentatori ad alta tensione, banchi di condensatori, circuiti magnetici di RFX e sistemi ausiliari. Data la complessità del sistema, è stata dedicata particolare attenzione alla modellizzazione dell'alimentatore ad alta tensione e dei relativi sottosistemi, così come al sistema magnetico di RFX, essenziale per la generazione delle scariche di plasma. Per l'alimentatore vengono proposte strategie di controllo e regolatori adeguati a garantire un livello di dettaglio sufficiente nella modellazione. Gli altri sottosistemi vengono modellizzati con approcci più semplici, data la loro minore complessità. Susseguono test sperimentali sulle schede analogiche dell'alimentatore, con l'obiettivo di validarne i modelli. Per ogni scheda vengono descritti il layout, le procedure di test e i risultati ottenuti. Infine, sono presentate proposte per test preliminari sull'intero sistema PDC, da realizzare in futuro, per completare la validazione del modello complessivo. I risultati preliminari indicano che i modelli sviluppati riproducono correttamente i principali comportamenti del PDC.

RFX-mod2 Pulse Discharge Cleaning: review of the design and modeling

FAORO, MATTEO
2023/2024

Abstract

In the context of magnetic confinement nuclear fusion, RFX-mod2 is the largest experiment in the world based on the Reversed Field Pinch (RFP) configuration. The RFP is a type of toroidal magnetic confinement studied as an alternative to the more widespread Tokamak. Although less popular, the RFP offers potential advantages that could make it a competitive alternative to the other configurations. In RFX, to ensure optimal experimental conditions, the device’s internal chamber must be periodically cleaned of contaminants accumulated during operations to improve the plasma performances. Over the years, various impurity removal systems have been developed. In the latest version, RFX-mod2, the Pulse Discharge Cleaning (PDC) system will be necessary. This system uses repeated low-current plasma pulses (50kA, compared to the nominal 2MA). The generated ions bombard the surface, removing adsorbed atoms and restoring the surface. The pulses are generated by charging a capacitor bank with a high-voltage power supply and discharging it through a static switch onto RFX windings, initiating a plasma pulse. This thesis focuses on the modelling and validation of the Pulse Discharge Cleaning (PDC) system, with particular attention to the subsystems responsible for generating plasma pulses: high-voltage power supplies, capacitor banks, RFX magnetic circuits, and auxiliary systems. Given the system’s complexity, special attention was devoted to modelling the high-voltage power supply and its subsystems, as well as the RFX magnetic system essential for plasma pulse generation. Control strategies and regulators suitable for achieving the required level of detail in the power supply modelling are proposed. The other subsystems are modelled using simpler approaches, given their lower complexity. Experimental tests on the analogue boards of the power supply followed, aiming to validate their relative models. For each board, the layout, testing procedures, and results are detailed. Finally, preliminary testing procedures for the entire PDC system are proposed for future implementation to complete the overall model validation. The preliminary results obtained from the board tests indicate that the developed models accurately capture the primary behaviours of the PDC.
2023
RFX-mod2 Pulse Discharge Cleaning: review of the design and modeling
RFX-mod2 è il più grande esperimento al mondo basato sulla configurazione Reversed Field Pinch (RFP) per il confinamento magnetico del plasma, nel contesto della fusione nucleare. L'RFP, o configurazione con strizione a campo rovesciato, è una configurazione toroidale di confinamento magnetico studiata come alternativa al più diffuso Tokamak. Sebbene meno popolare, l'RFP offre potenziali vantaggi che potrebbero renderlo competitivo rispetto ad altre configurazioni. In RFX, per garantire le migliori condizioni sperimentali, è necessario pulire periodicamente la camera interna del dispositivo da contaminanti che si accumulano durante le operazioni, per migliorare le prestazioni del plasma. Nel corso degli anni sono stati sviluppati vari sistemi per la rimozione delle impurità. Nella versione più recente, RFX-mod2, sarà necessario il sistema Pulse Discharge Cleaning (PDC). Questo sistema utilizza impulsi di plasma ripetuti a bassa corrente (50kA, rispetto ai nominali 2MA). Gli ioni generati bombardano la superficie, rimuovendo gli atomi adsorbiti ripristinando la superficie. Gli impulsi vengono generati caricando un banco di condensatori con un alimentatore ad alta tensione e scaricandoli attraverso un'interruttore statico sugli avvolgimenti di RFX, innescando una scarica di plasma. Questa tesi si focalizza sulla modellazione e validazione del sistema Pulse Discharge Cleaning (PDC), con particolare attenzione ai sottosistemi responsabili della generazione degli impulsi di plasma: alimentatori ad alta tensione, banchi di condensatori, circuiti magnetici di RFX e sistemi ausiliari. Data la complessità del sistema, è stata dedicata particolare attenzione alla modellizzazione dell'alimentatore ad alta tensione e dei relativi sottosistemi, così come al sistema magnetico di RFX, essenziale per la generazione delle scariche di plasma. Per l'alimentatore vengono proposte strategie di controllo e regolatori adeguati a garantire un livello di dettaglio sufficiente nella modellazione. Gli altri sottosistemi vengono modellizzati con approcci più semplici, data la loro minore complessità. Susseguono test sperimentali sulle schede analogiche dell'alimentatore, con l'obiettivo di validarne i modelli. Per ogni scheda vengono descritti il layout, le procedure di test e i risultati ottenuti. Infine, sono presentate proposte per test preliminari sull'intero sistema PDC, da realizzare in futuro, per completare la validazione del modello complessivo. I risultati preliminari indicano che i modelli sviluppati riproducono correttamente i principali comportamenti del PDC.
RFX-mod2
Thermonuclear Fusion
Power Electronics
Analog Electronics
PDC
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12608/79754