Thermal Assessment of the JT-60SA Fast-ion Loss Detector (FILD)

Abstract

E n tanto que las energías renovables y los avances en tecnologías de almacenamiento de energía continúan su camino hacia la transformación del panorama energético mundial, la promesa de una fuente de energía mejor, la energía de fusión, se mantiene siempre sobre el horizonte. Supuestamente, la energía de fusión será casi infinita, limpia y muy segura. Sin embargo, la generación de energía mediante fusión, lo que a menudo se compara con crear un Sol en la Tierra, conlleva muchos retos. Los reactores de fusión tokamak tienen el diseño más avanzado y llevan siendo desarrollados durante varias décadas. ITER (acrónimo en inglés de Reactor Termonuclear Experimental Internacional) es el tokamak más importante del mundo en estos momentos. Está siendo construido en Francia y debería empezar a operar en 2025. Se espera que ITER sea el punto de inflexión en la generación de energía mediante fusión que físicos, ingenieros y científicos de toda índole llevaban mucho tiempo buscando, al obtener un factor de ganancia Q=10, lo cual significaría que genera diez veces la energía que necesita para operar. Para alcanzar el éxito, muchos otros proyectos llamados satélite trabajan junto a ITER, compartiendo sus avances y descubrimientos. Uno de esos proyectos satélite es JT-60SA (Japón), que no sólo acompañará a ITER durante su desarrollo y operación sino que también ayudará en el desarrollo de los tokamaks del futuro. En este trabajo estudiaremos el comportamiento térmico de un dispositivo de diagnóstico, FILD (acrónimo en inglés de Detector de Pérdida de Iones Rápidos), que será instalado en el tokamak JT-60SA y cuyo propósito es medir y caracterizar los iones rápidos que se escapan del plasma, y que son en parte responsables de la autosustentación del mismo plasma y de su estabilidad. Diseñaremos parte de la geometría de FILD y estudiaremos algunos de sus modos de operación con el objetivo en mente de lidiar con los enormes flujos de calor que recibe del plasma, manteniendo siempre un ojo puesto en otras áreas como la del comportamiento mecánico. Contaremos con el bagaje científico y técnico de nuestro equipo, así como de la ayuda de software científico como Ansys Workbench y MATLAB. Diversas optimizaciones y decisiones serán realizadas a lo largo de este trabajo y multitud de interesantes discusiones tendrán lugar para, de este modo, alcanzar nuestros objetivos.

While renewable energies and advances in energy storage technologies continue their road to a global energy transformation, the promise of a better energy source, the fusion energy, remains always on the horizon. Fusion energy is supposed to be almost infinite, clean and very safe. However, fusion energy generation, which is often compared to bringing the Sun down to Earth, carries a lot of challenges. Tokamak fusion reactors have the most advanced design and have been developed for many decades already. ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) is the most important tokamak in the world at this moment. It is being built in France and is supposed to first operate in 2025. ITER is expected to be the inflection point in the fusion energy generation that physicists, engineers and scientists of all kind have been searching for a long time, attaining a gain factor Q=10, which would mean that it produces ten times as much energy as it requires to operate. In order to succeed, many other satellite projects work together with ITER, sharing their advances and discoveries. One of those satellite projects is JT-60SA (Japan), which will not only accompany ITER during its development and operation but will also help design the tokamaks of the future. In this work we will study the thermal behaviour of a diagnostic device, FILD (Fast Ion Loss Detector), that is going to be installed in the JT-60SA tokamak and whose purpose is to measure and characterize the fast ions that escape the plasma, which are in part responsible for the self-sustainability of the plasma itself and its stability. We will design some of the geometry of FILD and study some of its operating modes with the objective in mind of dealing with the huge heat loads it receives from plasma, while keeping an eye at other domains like the mechanical behaviour. We will rely on the scientific and technical background of our team, as well as scientific software such as Ansys Workbench and MATLAB. Many optimizations and choices will be made within this work and plenty of interesting discussions will take place in order to achieve our goals.