Electromechanical modelling of piezoelectric walking drive for divertor Tokamak test nuclear fusion facility

In the last few decades, renewable energy sources, such as solar and wind, have gained significant attention thanks to their exponential technological improvement and associated lower cost of production, allowing the growth of a new energy market. They also offer the potential to reduce CO2 emissions on a global scale, thus reducing the effects of climate change and contributing to sustainable development. Nuclear fusion is a promising option to achieve these goals, due to its high power density, minimal environmental impact, and nearly inexhaustible energy source, i.e. deuterium and tritium. Nowadays, magnetic confinement using tokamak technology is the primary method for achieving nuclear fusion. The primary obstacle for magnetic confinement fusion reactors is stabilizing the plasma while keeping it hot enough (≈ 108 K) for fusion reactions to occur. 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), an experimental facility, will exploit piezoelectric walking motors to drive the steering mirrors of its ECRH system, as they are unaffected by external magnetic fields. Due to the motor’s limited force output, it is essential to undertake a comprehensive modelling process to effectively utilize its potential. The present thesis aims to understand the working principle and the design of the PICMAWalk N-331.10 drive chosen for the abovementioned scope. Afterwards, an analytical static model is developed and compared with the equivalent Finite Element Model created in the Abaqus software environment.

Negli ultimi anni, le fonti di energia rinnovabile, quali solore ed eolico, hanno accresciuto l’interesse nei loro confronti grazie all’impressionante sviluppo tecnologico e alla conseguente riduzione dei costi di produzione, tali da permettere la crescita di un nuovo mercato dell’energia. Inoltre, offrono il potenziale per ridurre le emissioni di CO2 su scala globale così da ridurre l’impatto del cambiameno climatico e a contribuire ad uno sviluppo sostenibile. La fusione nucleare è un’opzione molto promettente grazie alla sua elevata densità di potenza, al minimo impatto ambientale e al fatto che si basa su una fonte di energia praticamente inesauribile, quale il deuterio e il trizio. Oggigiorno, la strategia principalmente utilizzata per ottenere eventi di fusione nucleare in modo controllato, è basata sul confinamento magnetico, ottenuto tramite tokamak. L’ostacolo principale dei reattori a fusione a confinamento magnetico è quello di stabilizzare il plasma, mantenendolo sufficientemente caldo (≈ 108 K) da permettere le reazioni di fusione. I reattori moderni utilizzano sistemi denominati "Electron Cyclotron Resonance Heating" (ECRH), dotati di specchi orientabili, per controllare la direzione di iniezione di fasci di microonde ad alta potenza (≈ 1 MW) così da sopprimere le instabilità locali del plasma note come "Neoclassical Tearing Modes" (NTM). L’impianto sperimentale "Divertor Tokamak Test" (DTT) utilizzerà motori piezoelettrici, insensibili a campi magnetici esterni, per muovere gli specchi direzionali del suo sistema ECRH. A causa del limite sulla forza massima che l’attuatore può fornire, è essenziale intraprendere un processo di modellazione completo svolto a sfruttare efficacemente il suo potenziale. Questa tesi ha lo scopo di definire il principio di funzionamento e la struttura interna dell’attuatore PICMAWalk N-331.10, scelto per il system ECHR. In seguito viene sviluppato il modello analitico corrispondente, i cui risultati sono confrontati con il modello ad elementi finiti realizzato tramite il software Abaqus.