Studies for improving the power supply system and the plasma performance in Reversed Field Pinch experiments

The context of the studies of my Ph.D. thesis is related to electric power handling in existing and future large-sized magnetic fusion experiments, which is essential to obtain an efficient operation of these machines and to fully exploit their potential. Such studies for existing experiments are intended to satisfy the evolution of the requirements coming from physics, aimed at improving plasma performances. This is the case of RFX-mod experiment which is an experimental fusion device that contributes to plasma physics studies in Reversed Field Pinch (RFP), up to 2 MA of plasma current, and tokamak configurations. Experiments with such high plasma current allowed the study of new promising confinement regimes, dominated by a self-organization process with the generation of a helical structure in the plasma core. Presently RFX-mod is under a significant upgrade (RFX-mod2) to extend the operational scenarios and the machine performance in both magnetic configurations. A further step in perspective could be an increase of the plasma current; in fact, the study of RFP physics at higher plasma current could be crucial to confirm positive trends, like electron temperature and persistence of Quasi Single Helicity (QSH) states with the plasma current, to explore the new advanced confinement scenarios and to fully exploit and raise the new potential of the RFP configuration. In this framework, my thesis includes the studies and the experimental activities aimed at improving the performance of the RFX-mod2 power supply system with the aim to increase the maximum achievable plasma current and the flat-top duration. Two solutions are proposed, one based on magnetic energy storage and one on electrostatic energy storage. Both solutions rely on a limited upgrade of the RFX power supply system, without overstressing the poloidal windings or overcoming the power limits of the main step-down transformers and maintaining the present set of thyristor converters units with a new configuration. In future large-size fusion experiments, electrical power handling is expected to become a crucial issue. In fact, a large fraction of the electric power necessary for gas breakdown and plasma current rise requires active power peaks which increase with the machines size and plasma current value. Hence the need, for future large-sized experiments, to investigate innovative Power Supply (PS) systems, based on a combination of adequate energy storage and advanced converter topologies. These studies aim to mitigate the peaks of active power and to reduce the amount of reactive power exchanged with the grid, related to the use of thyristor converters, adopted in almost all fusion experiments. Among the energy storage technologies, Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) is particularly suitable for large fusion devices, because of its large power density and adequate release time for these applications. Moreover, large fusion devices are provided with SuperConducting (SC) magnets, thus the plant is already equipped with the necessary auxiliaries. In this regard, I contributed to the development of a new concept, a new Magnetic Energy Storage and Transfer (MEST) system, based on SMES technology, as a very promising alternative to face both issues related to high active power peaks and huge reactive power demand. The application of the MEST system to supply the SC coils results in a partial or total degree of decoupling between the grid and the magnets coupled with the plasma, which means that the grid does not have to instantly provide the power delivered to the SC coil and the plasma, thus flattening the active power profile to be required from the grid and substantially nullifying the reactive power absorbed.

Il contesto degli studi della mia tesi di dottorato è relativo alla gestione dell'energia elettrica negli esperimenti di fusione a confinamento magnetico di grandi dimensioni esistenti e futuri, che è essenziale per ottenere un funzionamento efficiente di queste macchine e per sfruttare appieno il loro potenziale. Per esperimenti esistenti tali studi sono destinati a soddisfare l'evoluzione delle esigenze provenienti dalla fisica, volte a migliorare le prestazioni del plasma. Questo è il caso dell'esperimento RFX-mod che è una macchina sperimentale che contribuisce agli studi della fisica del plasma nelle configurazioni Reversed Field Pinch (RFP), fino a 2 MA di corrente di plasma, e tokamak. Esperimenti con una corrente di plasma così elevata hanno permesso lo studio di nuovi promettenti regimi di confinamento, dominati da un processo di auto-organizzazione con la generazione di una struttura elicoidale nel nucleo del plasma. Attualmente RFX-mod sta subendo un significativo aggiornamento (RFX-mod2) per estendere gli scenari operativi e le prestazioni della macchina in entrambe le configurazioni magnetiche. In prospettiva, un ulteriore passo potrebbe essere l’aumento della corrente di plasma; infatti, lo studio della fisica RFP a correnti di plasma più elevate potrebbe essere cruciale per confermare relazioni positive, come l’aumento della temperatura elettronica e della persistenza degli stati di Quasi Single Helicity (QSH) con l’aumento della corrente di plasma, per esplorare i nuovi scenari di confinamento avanzato e per sfruttare appieno le nuove potenzialità della configurazione RFP. In questo contesto, la mia tesi include gli studi e le attività sperimentali volte a migliorare le prestazioni del sistema di alimentazione RFX-mod2 con l'obiettivo di aumentare la massima corrente di plasma ottenibile e la durata del flat-top. Vengono proposte due soluzioni, una basata sull'accumulo di energia magnetica e una sull'accumulo di energia elettrostatica. Entrambe le soluzioni si basano su un limitato aggiornamento del sistema di alimentazione di RFX, senza sovraccaricare gli avvolgimenti poloidali o superare i limiti di potenza dei trasformatori principali e mantenendo l'attuale gruppo di convertitori a tiristori ma utilizzandoli con una nuova configurazione. Nei futuri esperimenti di fusione di grandi dimensioni, la gestione dell'energia elettrica sarà una questione cruciale. Infatti, un'ampia frazione dell'energia elettrica necessaria per la ionizzazione del gas e l'aumento della corrente di plasma richiede picchi di potenza attiva che crescono con le dimensioni delle macchine e il valore della corrente di plasma. Da qui la necessità, per futuri esperimenti di grandi dimensioni, di studiare sistemi di alimentazione innovativi, basati su una adeguata combinazione di sistemi di accumulo di energia e convertitori con topologie avanzate. Questi studi mirano a mitigare i picchi di potenza attiva e a ridurre la quantità di potenza reattiva scambiata con la rete, quest’ultima legata all'uso di convertitori a tiristori, adottati in quasi tutti gli esperimenti di fusione. Tra le tecnologie per l’accumulo di energia, il Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) è particolarmente adatto per dispositivi di fusione di grandi dimensioni, a causa della sua elevata densità di potenza e del tempo di rilascio adeguato per queste applicazioni. Inoltre, i dispositivi di fusione di grandi dimensioni sono dotati di magneti superconduttori, quindi l'impianto è già dotato degli sistemi ausiliari necessari. A questo proposito, ho contribuito allo sviluppo di un nuovo sistema di accumulo e trasferimento di energia magnetica (MEST), basato sulla tecnologia SMES, come alternativa molto promettente per affrontare sia le problematiche relative agli elevati picchi di potenza attiva che all'enorme domanda di potenza reattiva.