RFX-mod has proven its potentiality by achieving important experimental results in both reverse field pinch and tokamak configurations, so providing its contribution to fusion research program. Further challenges will be explored with the machine upgrade named RFX-mod2 under detailed design. This thesis presents the mechanical design modifications of the torus assembly and the verifications undertaken through thermo-mechanical simulations. Custom solutions for the vacuum boundary of the RFX-mod2 are proposed considering compatibility with the as-built experiment and with the upgrade concept mechanically consisting of the old vacuum vessel removal. The solutions are developed considering the above constraints and the technological feasibility. Mechanical design of Toroidal Support Structure (TSS) is carried out to make it vacuum tight. The vacuum boundary is designed at the toroidal assembly joints by developing different sealing solutions compatible with the stringent requirements of the present components: ceramic-metal brazed rings at the two poloidal joints, fully welded plate at the external equatorial joint, and Thin Resistive Plate at the internal equatorial joint. A simplified experimental mock-up is proposed to qualify the technological feasibility of sealing solutions; furthermore, relevant technical specifications are prepared for the procurement. Design calculations are developed for passive stabilizing shell modifications considering requirements to provide structural support to first wall tiles and withstand thermal loads. New rings supporting the stabilizing shell on TSS are designed by series of finite element simulations to select proper material, number of rings and support geometry considering applied loads. Load specifications for the components of RFX-mod2 are prepared considering different operating conditions and combinations of thermal, structural and electromagnetic loads to be applied to finite element simulations of the machine. The component design is supported by thermo-mechanical analyses undertaken by developing 3D models in ANSYS environment and results are verified against the ITER structural design criteria for in-vessel components and ASME pressure vessel design rules. As reported in this thesis, the preliminary mechanical design of the vacuum boundary and in-vacuum components of RFX-mod2 machine has been completed and verifications carried out resulted satisfied demonstrating the validity of the proposed solutions.

RFX-mod ha dimostrato le sue potenzialità avendo conseguito importanti risultati sperimentali nelle configurazioni reverse field pinch e tokamak, pertanto contribuendo al programma di ricerca sulla fusione. Nuove sfide saranno esplorate con la macchina modificata e denominata RFX-mod2, attualmente in fase di progetto. Questa tesi presenta le modifiche del progetto meccanico dell’assieme toroidale e le verifiche condotte mediante simulazioni termo-meccaniche. Soluzioni speciali vengono proposte per il confinamento del vuoto di RFX-mod2 considerando la compatibilità con la macchina costruita e con il concetto di modifica costituita meccanicamente dalla rimozione della camera da vuoto. Le soluzioni sono state sviluppate in considerazione dei suddetti vincoli e della fattibilità tecnologica. Il progetto meccanico della struttura toroidale di supporto è stato svolto per renderla a tenuta di vuoto. La barriera da vuoto è stata progettata alle giunzioni della struttura toroidale sviluppando diverse soluzioni di tenuta compatibili con i stringenti requisiti dei componenti attuali: anelli ceramico-metallo brasati ai giunti poloidali, un piatto saldato al giunto equatoriale esterno, una lamiera resistiva al giunto equatoriale interno. Un simulacro sperimentale è stato proposto per qualificare la fattibilità tecnologica delle soluzioni di tenuta; inoltre, sono state preparate le relative specifiche tecniche per la fornitura. I calcoli progettuali sono stati sviluppati per il guscio di stabilizzazione passiva considerando i requisiti di fornire supporto strutturale alle tegole della prima parete e di sopportare i carichi termici. Nuovi anelli di supporto del guscio di stabilizzazione sulla struttura toroidale sono stati progettati mediante una serie di simulazioni agli elementi finiti per selezionare il materiale, il loro numero e la geometria di supporto considerando i carichi applicati. Le specifiche di carico per i componenti di RFX-mod2 sono state preparate valutando diverse condizioni d’esercizio e combinazioni di carichi termici, strutturali ed elettromagnetici per essere applicate alle simulazioni agli elementi finiti della macchina. Il progetto dei componenti è stato avvalorato da analisi termo-meccaniche condotte sviluppando modelli tridimensionali in ambiente ANSYS ed i risultati sono stati verificati applicando i codici per la progettazione dei recipienti a pressione ASME e dei componenti in vuoto di ITER. Come descritto nella tesi, è stato completato il progetto meccanico preliminare della barriera vuoto e dei componenti in vuoto della macchina RFX-mod2 e le verifiche condotte risultano soddisfatte ed hanno dimostrato la validità delle soluzioni proposte.

Thermo-mechanical analyses and design of components for fusion devices / Patel, Nisarg. - (2016 Feb 01).

Thermo-mechanical analyses and design of components for fusion devices

PATEL, NISARG
2016-02-01

Abstract

RFX-mod has proven its potentiality by achieving important experimental results in both reverse field pinch and tokamak configurations, so providing its contribution to fusion research program. Further challenges will be explored with the machine upgrade named RFX-mod2 under detailed design. This thesis presents the mechanical design modifications of the torus assembly and the verifications undertaken through thermo-mechanical simulations. Custom solutions for the vacuum boundary of the RFX-mod2 are proposed considering compatibility with the as-built experiment and with the upgrade concept mechanically consisting of the old vacuum vessel removal. The solutions are developed considering the above constraints and the technological feasibility. Mechanical design of Toroidal Support Structure (TSS) is carried out to make it vacuum tight. The vacuum boundary is designed at the toroidal assembly joints by developing different sealing solutions compatible with the stringent requirements of the present components: ceramic-metal brazed rings at the two poloidal joints, fully welded plate at the external equatorial joint, and Thin Resistive Plate at the internal equatorial joint. A simplified experimental mock-up is proposed to qualify the technological feasibility of sealing solutions; furthermore, relevant technical specifications are prepared for the procurement. Design calculations are developed for passive stabilizing shell modifications considering requirements to provide structural support to first wall tiles and withstand thermal loads. New rings supporting the stabilizing shell on TSS are designed by series of finite element simulations to select proper material, number of rings and support geometry considering applied loads. Load specifications for the components of RFX-mod2 are prepared considering different operating conditions and combinations of thermal, structural and electromagnetic loads to be applied to finite element simulations of the machine. The component design is supported by thermo-mechanical analyses undertaken by developing 3D models in ANSYS environment and results are verified against the ITER structural design criteria for in-vessel components and ASME pressure vessel design rules. As reported in this thesis, the preliminary mechanical design of the vacuum boundary and in-vacuum components of RFX-mod2 machine has been completed and verifications carried out resulted satisfied demonstrating the validity of the proposed solutions.
RFX-mod ha dimostrato le sue potenzialità avendo conseguito importanti risultati sperimentali nelle configurazioni reverse field pinch e tokamak, pertanto contribuendo al programma di ricerca sulla fusione. Nuove sfide saranno esplorate con la macchina modificata e denominata RFX-mod2, attualmente in fase di progetto. Questa tesi presenta le modifiche del progetto meccanico dell’assieme toroidale e le verifiche condotte mediante simulazioni termo-meccaniche. Soluzioni speciali vengono proposte per il confinamento del vuoto di RFX-mod2 considerando la compatibilità con la macchina costruita e con il concetto di modifica costituita meccanicamente dalla rimozione della camera da vuoto. Le soluzioni sono state sviluppate in considerazione dei suddetti vincoli e della fattibilità tecnologica. Il progetto meccanico della struttura toroidale di supporto è stato svolto per renderla a tenuta di vuoto. La barriera da vuoto è stata progettata alle giunzioni della struttura toroidale sviluppando diverse soluzioni di tenuta compatibili con i stringenti requisiti dei componenti attuali: anelli ceramico-metallo brasati ai giunti poloidali, un piatto saldato al giunto equatoriale esterno, una lamiera resistiva al giunto equatoriale interno. Un simulacro sperimentale è stato proposto per qualificare la fattibilità tecnologica delle soluzioni di tenuta; inoltre, sono state preparate le relative specifiche tecniche per la fornitura. I calcoli progettuali sono stati sviluppati per il guscio di stabilizzazione passiva considerando i requisiti di fornire supporto strutturale alle tegole della prima parete e di sopportare i carichi termici. Nuovi anelli di supporto del guscio di stabilizzazione sulla struttura toroidale sono stati progettati mediante una serie di simulazioni agli elementi finiti per selezionare il materiale, il loro numero e la geometria di supporto considerando i carichi applicati. Le specifiche di carico per i componenti di RFX-mod2 sono state preparate valutando diverse condizioni d’esercizio e combinazioni di carichi termici, strutturali ed elettromagnetici per essere applicate alle simulazioni agli elementi finiti della macchina. Il progetto dei componenti è stato avvalorato da analisi termo-meccaniche condotte sviluppando modelli tridimensionali in ambiente ANSYS ed i risultati sono stati verificati applicando i codici per la progettazione dei recipienti a pressione ASME e dei componenti in vuoto di ITER. Come descritto nella tesi, è stato completato il progetto meccanico preliminare della barriera vuoto e dei componenti in vuoto della macchina RFX-mod2 e le verifiche condotte risultano soddisfatte ed hanno dimostrato la validità delle soluzioni proposte.
vacuum seal, ceramic-metal brazing, stabilizing shell, thermo-mechanical design
Thermo-mechanical analyses and design of components for fusion devices / Patel, Nisarg. - (2016 Feb 01).
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