Testing and Modelling of Piezoelectric Walking Drive for ECRH Launcher at DTT Nuclear Fusion Reactor

Over the past few years, renewable energy sources have garnered significant attention as they offer the potential to reduce carbon emissions and tackle climate change for a sustainable future. Nuclear fusion is an attractive option due to its high power density and minimal environmental impact. The primary obstacle for magnetic confinement fusion reactors is stabilizing the plasma while keeping it hot enough for fusion reactions to occur (∼10^8 K). Modern reactors use Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) systems, equipped with steerable mirrors, to control the injection direction of high power microwave beams (∼1 MW) and suppress local plasma instabilities known as Neoclassical Tearing Modes (NTMs). The Divertor Tokamak Test (DTT) machine will utilize piezoelectric walking drives to drive the steering mirrors of its ECRH system. Due to actuator's limited force output, it is essential to undertake a comprehensive modelling process to effectively utilize its potential. As such, the aim of this project is to perform tests and construct a model of the PICMAWalk actuator. From the actuator tests, the maximum driving force, which corresponds to the adherence limit of the contact between the piezoelectric beams and the slider, was determined, and the characteristic curve that correlates step size to driving force under different operating conditions (step frequency, shearing voltage amplitude, environmental conditions) was established. Finally a single-leg kinematics model on SIMSCAPE was created, providing a foundation for future developments in the dynamic modeling of the piezoelectric drive.

Negli ultimi anni, le fonti di energia rinnovabile hanno attirato un'attenzione significativa in quanto offrono il potenziale per ridurre le emissioni di carbonio e affrontare il cambiamento climatico per un futuro sostenibile. La fusione nucleare è un'opzione interessante grazie alla sua elevata densità di potenza e al minimo impatto ambientale. L'ostacolo principale dei reattori a fusione a confinamento magnetico è stabilizzare il plasma mantenendolo sufficientemente caldo da permettere le reazioni di fusione (∼10^8 K). I reattori moderni utilizzano sistemi "Electron Cyclotron Resonance Heating" (ECRH), dotati di specchi orientabili, per controllare la direzione di iniezione di fasci di microonde ad alta potenza (∼1 MW) e sopprimere le instabilità locali del plasma note come "Neoclassical Tearing Modes" (NTM). La macchina "Divertor Tokamak Test" (DTT) utilizzerà azionamenti piezoelettrici per guidare gli specchi direzionali del suo sistema ECRH. A causa dell'uscita di forza limitata dell'attuatore, è essenziale intraprendere un processo di modellazione completo per utilizzare efficacemente il suo potenziale. Pertanto, lo scopo di questo progetto è eseguire test e costruire un modello dell'attuatore PICMAWalk. Dalle prove sugli attuatori è stata determinata la massima forza motrice, che corrisponde al limite di aderenza del contatto tra le travi piezoelettriche ed il dispositivo di scorrimento, e la curva caratteristica che correla l'ampiezza del passo alla forza motrice, nelle diverse condizioni operative (frequenza del passo, ampiezza della tensione di taglio, condizioni ambientali). Infine è stato creato un modello cinematico a gamba singola su SIMSCAPE, fornendo una base per futuri sviluppi nella modellazione dinamica dell'azionamento piezoelettrico.