Analysis and Design of the Central Stack for the SMART Tokamak

Abstract

El tokamak SMART (Tokamak de baja relación de aspecto o ‘SMall Aspect Ratio Tokamak’) es un nuevo tokamak esférico que está siendo construido en la universidad de Sevilla y pretende estudiar plasmas con triangularidad negativa vs positiva y por primera vez en un tokamak esférico. La operación de SMART va a cubrir tres fases con a campo magnético toroidal B(cojunto vacio)≤ 1 T, corriente inducida de plasma hasta = Ip=500 kA y longitud de pulso de hasta 500 ms, para un plasma con R= 0.4 m, a= 0.25 m y una amplia variedad de configuraciones (ratio de aspecto, 1.4 < R/a < 3, elongación, K≤ 3, y triangularidad, -0.6 ≤(delta)≤ 0.6). El sistema magnético del tokamak está compuesto por 12 bobinas de campo magnético toroidal (TFC), 8 bobinas de campo magnético poloidal (PFC) y un solenoide central (CS). Con estas condiciones de operación, el diseño de la columna central, que es un componente crítico en la mayoría de tokamaks esférico debido a la limitación de espacio, presenta importantes retos. La columna central del tokamak SMART se ha diseñado para operar hasta los valores de fase 2 y contiene las barras internas de las TFC, que están rodeadas por el CS, dos anillos de soporte, una barra central y un pedestal. Para alcanzar los parámetros de esta fase B(cojunto vacio) = 0.3 T con corriente de plasma inducida Ip de hasta 200 kA), las altas corrientes eléctricas necesarias, combinadas con la baja relación de aspecto de la máquina implican grandes fuerzas en los conductores que son un reto desde el punto de vista de la ingeniería. Las cargas esperadas en la columna central son 1.5 MN de fuerza centradora y 6 kNm de torque. Este trabajo describe el diseño de la columna central y la validación mecánica con un análisis de elementos finitos. Uniendo un estudio electromagnético con uno mecánico, la habilidad de la columna central para alcanzar los requerimientos físicos de la máquina hasta fase 2 es asegurada.