Design and optimization of a single-channel cooling geometry for the ecrh front-steering mirror of the Divertor Tokamak Test machine

Nuclear fusion is widely regarded as a promising pathway toward sustainable, large-scale energy generation. The Divertor Tokamak Test Facility (DTT) plays a central role in the European roadmap to DEMO, providing an experimental platform to study plasma exhaust and the behavior of high-heat-flux components under reactor-relevant conditions. In this context, the Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) system—capable of delivering up to 32 MW of microwave power—employs front-steering mirrors to regulate the power deposition profile within the plasma. This work focuses on the thermal–fluid optimization of the cooling system integrated into the DTT front-steering mirror (M2). The mirror is subjected to an absorbed elliptical Gaussian heat flux exceeding 1.8 MW/m², together with radiative and neutron loads. The in-vessel conditions also impose stringent electromagnetic and mechanical constraints, limiting the choice of materials to low-conductivity metals such as stainless steel Inconel or technical ceramics. Under these restrictions, the operating environment demands an optimized cooling system capable of ensuring reliable heat removal, where a single uninterrupted channel is preferable from a safety and monitoring standpoint, simplifying fault detection and reducing the risk of undetected flow anomalies. Following a review of the available optimization approaches capable of accommodating the single-channel topological constraint, the most suitable strategy was identified in a parametric shape optimization guided by a simplified analytical cost function. Within this framework, a dedicated parametric geometry was developed to describe the channel trajectory, as well as its local width and depth; this new configuration, referred to as the “stadium,” provides the required flexibility to explore design variations while preserving the required geometric continuity and manufacturing constraints. Once optimized, the resulting geometry was evaluated through CFD simulations performed with STAR-CCM+, confirming that the final configuration achieves improved cooling performance while maintaining structural integrity and compatibility with manufacturing constraints. The results demonstrate the effectiveness of a parametric analytically guided optimization workflow, providing a solid foundation for further refinements of the DTT ECRH mirror (M2) design and offering a transferable methodology for future ECRH mirrors in reactor-scale machines operating under boundary conditions comparable to those of the DTT in-vessel environment.

La fusione nucleare è ampiamente considerata una via promettente per la generazione di energia sostenibile su larga scala. Il Divertor Tokamak Test Facility (DTT) riveste un ruolo centrale nella roadmap europea verso DEMO, offrendo una piattaforma sperimentale per studiare l’espulsione del plasma e il comportamento dei componenti sottoposti a flussi di calore elevati in condizioni rilevanti per un reattore. In questo contesto, il sistema di riscaldamento a risonanza ciclotronica degli elettroni (ECRH)—capace di erogare fino a 32 MW di potenza a microonde—impiega specchi orientabili frontalmente per regolare il profilo di deposizione di potenza all’interno del plasma. Questo lavoro si concentra sull’ottimizzazione termo-fluidodinamica del sistema di raffreddamento integrato nello specchio front-steering del DTT (M2). Lo specchio è soggetto a un flusso di calore ellittico gaussiano assorbito superiore a 1,8 MW/m², insieme a carichi radiativi e neutronici. Le condizioni all’interno del vessel impongono anche vincoli elettromagnetici e meccanici stringenti, limitando la scelta dei materiali a metalli a bassa conducibilità come acciaio inossidabile, Inconel o ceramiche tecniche. In queste condizioni operative, è necessario un sistema di raffreddamento ottimizzato in grado di garantire un’affidabile rimozione del calore, dove un singolo canale continuo risulta preferibile dal punto di vista della sicurezza e del monitoraggio, semplificando la rilevazione di guasti e riducendo il rischio di anomalie di flusso non rilevate. Dopo una revisione degli approcci di ottimizzazione disponibili in grado di rispettare il vincolo topologico del canale singolo, la strategia più adatta è stata individuata in un’ottimizzazione parametrica della forma guidata da una funzione di costo analitica semplificata. In questo contesto, è stata sviluppata una geometria parametrica dedicata per descrivere la traiettoria del canale, nonché la sua larghezza e profondità locali; questa nuova configurazione, denominata “stadium”, offre la flessibilità necessaria per esplorare variazioni progettuali preservando la continuità geometrica richiesta e i vincoli di fabbricazione. Una volta ottimizzata, la geometria risultante è stata valutata tramite simulazioni CFD eseguite con STAR-CCM+, confermando che la configurazione finale migliora le prestazioni di raffreddamento mantenendo l’integrità strutturale e la compatibilità con i vincoli di produzione. I risultati dimostrano l’efficacia di un flusso di lavoro di ottimizzazione parametrica guidata analiticamente, fornendo una solida base per ulteriori perfezionamenti del design dello specchio ECRH M2 del DTT e offrendo una metodologia trasferibile per futuri specchi ECRH in macchine a scala reattore operanti in condizioni al contorno comparabili a quelle dell’ambiente interno del DTT.