Advanced Non Inverting Rogowski Integrator Design for SMART Tokamak Current Measurement

Abstract

En el último siglo el enorme consumo energético basado en combustibles fósiles ha causado un gran impacto en el medio ambiente. Las energías renovables juegan un papel protagonista en la transición energética. Sin embargo, su alta dependencia de las condiciones climáticas impide que sean la solución definitiva. La entrada de nuevas centrales como base en la matriz energética es unos de los mayores intereses actuales. La fusión nuclear podría ofrecer una solución en este campo, tratándose de una energía que no genera gases de efecto invernadero, no genera residuos radiactivos de vida larga y su combustible es abundante. En las próximas décadas se espera poder tener disponibles plantas de fusión nuclear para la generación comercial con las que generar energía de forma deslocalizada. La posibilidad de construir reactores de fusión nuclear como fuente de energía desde fue considerada desde mediados el siglo XX. Los reactores de tipo tokamak han permitido realizar numerosos experimentos en este campo. En su aplicación, es necesario un adecuado control sobre el confinamiento del plasma de acuerdo con las restricciones impuestas por el experimento y las restricciones de seguridad a las que está sometida la máquina, ya que fluctuaciones o inestabilidades del plasma ponen en riesgo el funcionamiento normal de la máquina. Los sistemas de adquisición de datos son responsables de recopilar toda la información en tiempo real de los parámetros en estudio, estos permiten evaluar el estado del plasma y tomar decisiones instantáneas para ajustar los campos magnéticos y otros parámetros del tokamak. Los sistemas desempeñan un papel fundamental en la optimización y estabilización del plasma, así como mantener las condiciones necesarias para que la fusión nuclear ocurra de manera sostenible y eficiente. Además, los datos recopilados son esenciales para investigar y comprender mejor el comportamiento del plasma en condiciones extremas, lo que a su vez contribuye al avance en la investigación de la fusión nuclear como fuente de energía limpia y abundante. El tokamak SMART requiere nuevos diseños para los sistemas de adquisición y adaptación de señales. Se ha realizado una revisión de la bibliografía existente sobre métodos y arquitecturas de integración de señales y su instrumentación electrónica. Se han construido integradores analógicos para medidas de corriente de plasma en tiempo real, que serán incluidos en los lazos de control que modifican la forma y posición del plasma. Se han definido las características básicas del integrador analógico para su aplicación y se ha reducido el número de componentes activos con respecto a las arquitecturas ya planteadas, ofreciendo una solución más económica y compacta con las mismas prestaciones. Se ha creado un modelo genérico en Matlab y se han realizado simulaciones en LSpice sobre el ancho de banda y el nivel de ruido de un prototipo de circuito. Finalmente, se ha construido la placa de circuito impreso para su instalación y prueba.

In the last century, enormous energy consumption based on fossil fuels has had a huge impact on the environment. Renewable energy plays a key role in the energy transition. However, their high dependence on climatic conditions prevents them from being the definitive solution. The entry of new power plants as a base for the energy matrix is one of the major current concerns. Nuclear fusion could offer a solution in this field, as it is an energy that does not generate greenhouse gases, does not generate long lived radioactive waste, and is fuel abundant. Fusion power plants for off site power generation are expected to become available in t he next few decades The possibility of building nuclear fusion reactors as a source of energy has been considered since the mid 20th century. Numerous experiments have been conducted in this field with tokamak reactors . In their application, adequate control over the plasma confinement is necessary according to the constraints imposed by the experiment and the safety restrictions to which the machine is subjected, as plasma fluctuations or instabilities put the normal operation of the machine at risk. Data acquisition systems are responsible for collecting all real time information on critical parameters, allowing the state of the plasma to be assessed and instantaneous decisions to be made to adjust the magnetic fields and other parameters of the tokam ak. These systems have a fundamental role in the optimisation and stabilisation of the plasma, making it possible to maintain the conditions necessary for nuclear fusion to occur sustainably and efficiently. Furthermore, the collected data are essential to investigate and better understand the behaviour of plasma under extreme conditions, which in turn contributes to the advancement of nuclear fusion research as a clean and abundant energy source. The SMART tokamak requires new designs for signal acquisition and adaptation systems. A review of the existing literature on signal integration methods and architectures and their electronic instrumentation has been conducted Analogue integrators have been built for real time plasma measurements, allowing for the creation of control loops that modify the shape and position of the plasma. The basic characteristics of the analogue integrator for its application have been defined, and the number of active com ponents has been reduced compared to the previous architectures, offering a more cost effective and compact solution with the same features. A generic model has been created in MATLAB and simulations in LSpice on bandwidth and noise level of a circuit prototype. Finally, the PCB is built to be installed and evaluated