Analisi meccanica dei magneti toroidali e poloidali del reattore a fusione nucleare “DEMO”
L. Giannini, L. Zoboli, A. Anemona, G. Tomassetti
Il sistema magnetico del reattore a fusione nucleare DEMO (DEMOnstrating nuclear fusion reactor) consta di diciotto magneti toroidali (TFC, toroidal field coils), sei magneti poloidali (PFC, poloidal field coils) ed un solenoide centrale (CS, central solenoid). Tale sistema rende possibile il confinamento magnetico all’interno della camera di reazione del plasma, nel quale avvengono le reazioni di fusione termonucleare. L’interazione tra le elevate correnti operative e l’intenso campo magnetico desta tensioni elevate nelle strutture che compongono i magneti. Per quanto la progettazione attuale sia in fase preliminare, sono comunque necessarie accurate analisi meccaniche per verificare la resistenza dei magneti ai carichi in gioco. Garantire la sicurezza strutturale di un sistema magnetico dalle elevate prestazioni come quello di DEMO significa poter disporre di un reattore a fusione veramente competitivo sotto il profilo della produzione di energia. Verranno separatamente illustrate le analisi meccaniche dei TFC e dei PFC realizzate mediante il software FEM ANSYS. Viene inoltre proposto un design ottimizzato per le strutture di supporto dei TFC.
Magneti toroidali
TFC: Le 18 bobine a D del sistema magnetico toroidale generano le linee di forza toroidali che imbrigliano il plasma polarizzato. Costituiscono pertanto il sistema principiale di confinamento in un reattore FTC. Ogni bobina è costituita da un avvolgimento centrale chiamato Winding Pack (WP) e da un Casing in acciaio che fa da struttura portante per il magnete. Il design ENEA per il WP è composto da 202 cavi superconduttori, capaci di portare correnti molto intense (70800 A) se raffreddati al di sotto della temperatura di transizione (4.5 K). In condizioni operative del reattore il campo magnetico raggiunge picchi di 12 T.
ANALISI MECCANICA (EOF scenario): le tre componenti di campo Bx , By , Bz ottenute dall’analisi magnetostatica del reattore (svolta con Opera Tosca) sono state incluse in una routine Matlab per derivare le forze di Lorentz dalla nota espressione:
Una prima analisi è stata svolta con la condizione di stato piano di deformazione generalizzato applicata all’elemto strutturale 2D di Ansys PLANE 183. Il modello bidimensionale in pieno dettaglio ha circa 90 000 elementi e 300 000 nodi. Per l’analisi globale del magnete è stato in seguito sviluppato un modello 3D in Workbench.
Il modello 2D definisce la cross section del magnete sul piano equatoriale della macchina. Si considera per primo il cairco termico, con un cool down da temperatura ambiente fino alle condizioni criogeniche. Successivamente i carichi elettromagnetici vengono applicati nel WP sul centoride di ogni cavo superconduttore.
Il modello 3D del magnete consiste in un WP omogeneizzato nel quale i carichi sono applicati come densità di forza. Nel modello sono incluese le OIS che forniscono il supporto strutturale per gli spostamenti fuori piano.
ottimizzazione topologica
La componente fuori piano delle forze elettromagnetiche introduce deformazioni e sforzi di natura flesso-torsionale nel magnete toroidale, provocandone la tipica deformazione ‘a spremiagrumi’. Le Outer Intercoil Structures (OIS) sono delle strutture impiegate per il supporto di questa componente del carico, formando una cintura rigida che avvolge il sistema magnetico in direzione toroidale. Nell’ambito di questo lavoro è stato studiato il problema di ottimizzazione topologica, impostato come un problema di minima compliance (che corrisponde al design di massima rigidezza globale), vincolato ad una riduzione di massa del 40%. La distribuzione ottima di materiale è stata successivamente ingegnerizzata, ed ha mostrato un’ottima risposta in termini di stress ai carichi elettromagnetici (sforzo massimo sostanzialmente invariato), indicando che è possibile ridurre la massa delle OIS senza per questo alterare il loro requisito funzionale.
Magneti poloidali
I magneti poloidali sono disposti esternamente ai TF per produrre un campo verticale in grado di assicurare equilibrio e stabilità al plasma. Vengono collegati meccanicamente ai toroidali tramite degli alloggi ad altezze definite rispetto ad essi. In questo lavoro è stato analizzato il PF numero 4, il più grande dei poloidali con un raggio di 17 m ed un design a 168 superconduttori. Il campo magnetico e la corrente sono inferiori ai TF e raggiungono valori di
ANALISI STATICA: Lungo la direazione toroidale in corrispondenza di ogni TF il campo magnetico ha dei picchi di intensità. Sono presenti 18 TF dunque il magnete può essere facilmente analizzato con la simmetria ciclica ed un periodo di 20 gradi. Il campo valutato in ogni sezione viene utilizzato per il calcolo delle forze di Lorentz che vengono applicate al modello 3D in pieno dettaglio sviluppato in APDL.
Conclusioni
L’analisi 2D della sezione equatoriale interna del TFC evidenzia concentrazioni di tensione critiche (1.13 GPa) in corrispondenza degli angoli interni (fillet) dei jacket. Un’ottimizzazione di dimensioni (size optimisation) avente come parametri lo spessore del jacket e il raggio di curvatura dei fillet può essere d’aiuto nell’alleviare il problema;
L’analisi 3D dell’intero TFC è stata usata come punto di partenza per l’ottimizzazione topologica delle Outer Intercoil Structures presenti tra due magneti consecutivi;
Lo stato di tensione dei PFC non è critico in termini dei criteri classici di resistenza. Tuttavia sono in corso studi più approfonditi dell’interazione tra jacket ed isolante elettrico, in quanto il danneggiamento dell’isolamento può portare al collasso del magnete.