Coils and power supply design for the SMall Aspect Ratio Tokamak (SMART) of the University of Seville

Abstract

Durante el último siglo, la producción energética ha sido predominantemente abastecida por plantas de combustible fósil. Los efectos nocivos sobre el medio ambiente, que los recursos fósiles han causado, han despertado conciencia sobre la necesidad de una fuente alternativa de energía. Las energías renovables están liderando este cambio. Sin embargo, la dependencia en las condiciones climáticas de estas fuentes de energía, dificultan alcanzar un sistema 100% renovable. Por tanto, una fuente de energía diferente, actuando como central de base, podría complementar a un sistema con una alta penetración de energías renovables. La energía de fusión nuclear emerge como una solución prometedora para lograr una sociedad sostenible sin emisiones de gases de efecto invernadero ni residuos radiactivos de vida larga. La investigación en fusión nuclear pretende obtener una planta comercial en las próximas décadas. Uno de los dispositivos mas avanzados es el tokamak, donde fuerte campos magnéticos crean y confinan un plasma donde la reacción de fusión se alcanza. Los campos magnéticos están inducidos por bobinas, que necesitan ser alimentadas por formas de corriente específicas controladas por sus fuentes de alimentación. Un nuevo dispositivo de investigación de fusión, SMART (SMall Aspect Ratio Tokamak, tokamak de pequeña relación de aspecto), está siendo diseñado en la Universidad de Sevilla para dos fases de operación. Por tanto, el objetivo principal de esta contribución es el diseño de un sistema capaz de crear y confinar el plasma dentro del dispositivo. El equipo de física dentro del grupo de Ciencia del Plasma y Tecnología de Fusión ha obtenido las curvas de corriente requeridas para las dos fases de SMART. Utilizando las curvas como punto de partida, cada grupo de bobina es diseñado para soportar el calentamiento por efecto Joule durante la operación del tokamak para ambas fases. Con este fin, se define un modelo térmico analítico, y las restricciones debido a la geometría de la vasija son tenidas en cuenta para obtener el diseño de las bobinas. Debido a las altas corrientes requeridas en los tokamaks, los sistemas de alimentación son una parte exigente del diseño. La mayoría de los tokamaks relevantes utilizan sistemas basados en tiristores y conectados a la red o a volantes de inercia. Sin embargo, siguiendo la tendencia actual, el diseño de un sistema de alimentación más flexible y modular, basado en IGBT y supercondensadores, se presenta en este documento para la primera fase de operación de SMART. Se explican las topologías y la estrategia de control de los sistemas de alimentación. El desempeño del sistema es validado en MATLAB Simulink, demostrando su viabilidad antes de la construcción del sistema.

During the last century, energy production has been predominantly supplied by fossil fuel power plants. The negative environmental effects that fossil fuels have caused, have raised awareness of an alternative source of energy. Renewable energies are leading this change. However, the dependency on weather conditions of these sources of energy, stood in the way of a 100% renewable energy system. Therefore, a different energy source, acting as baseload producer, could complement a system with high penetration of renewable energies. Nuclear fusion energy arisen as a promising solution to achieve a sustainable society without green-house effect gasses emissions and long-lived radioactive wastes [1]. Nuclear fusion research aims to reach a commercial nuclear fusion power plant in the next decades. One of the most advanced devices is the tokamak, where strong magnetic fields create and confine a plasma where the fusion reaction is achieved. The magnetic fields are induced by coils, which need to be fed by specific current waveforms controlled by their power supplies. A new research fusion device, SMART (SMall Aspect Ratio Tokamak), is being designed at the University of Seville for two operation phases. Therefore, the main goal of this contribution is to design a system capable of creating and confining the plasma inside the device. The physics team of the Plasma Science and Fusion Technology group has obtained the current waveforms required for the two phases of SMART. Taking the current waveforms as starting point, each set of coils has been designed to withstand the Joule heating during the tokamak operation for both phases. To this end, an analytical thermal model is defined and the vessel geometry restrictions are considered to achieve the coils design. Due to the large currents required in tokamaks, power supplies are a challenging part of their design. Most relevant tokamaks use thyristor-based power supplies fed by flywheels or the grid [2]. Nevertheless, following the present trend [3], the design of a more flexible and modular power suppliy, based on IGBTs and supercapacitors, is presented in this document for the first operation phase of SMART. The topologies and control system of the power supplies are explained. The performance of system has been validated in MATLAB Simulink, proving its feasibility before the construction of the system.