Design and commissioning of the magnetic diagnostics system for COMPASS-U

André Gonçalves Torres

Key information

Authors:

André Gonçalves Torres (André Gonçalves Torres)

Supervisors:

Horácio João Matos Fernandes (Horácio João Matos Fernandes); Bernardo Brotas de Carvalho (Bernardo Brotas de Carvalho); Aleš Havránek

Published in

12/05/2023

Abstract

O sistema de diagnóstico magnético fornece dados fundamentais para a operação e exploração científica de dispositivos de fusão nuclear por confinamento magnético. Embora esteja em constante aperfeiçoamento desde os primeiros dispositivos, a construção de novos reatores representa uma oportunidade para avanços em diagnósticos magnéticos, adaptados aos desafios e oportunidades específicos. O tokamak COMPASS-U, desenvolvido em Praga, na República Checa, terá um conjunto único de parâmetros, dos quais se destaca o campo magnético toroidal de 5 T e a parede interna metálica aquecida a altas temperaturas. Graças a uma ampla coleção de sistemas de diagnóstico, este dispositivo estará numa posição de suportar a operação do ITER e abordar problemas relevantes tanto para o DEMO como futuras centrais elétricas. Nesta tese, os desafios relativos ao desenvolvimento de um sistema de diagnóstico magnético para uma máquina tão única são discutidos e é exposto o projeto e desenvolvimento dos principais subsistemas: desde os sensores ao cabeamento e eletrónica. São desenvolvidos métodos para calibração e medição precisas de sensores magnéticos; estuda-se a mitigação da influência de estruturas metálicas em sensores; são tiradas conclusões sobre a escolha de cabos de transmissão de dados para longas distâncias; é qualificada a implementação de métodos de integração numérica em tempo real e novo hardware é desenvolvido. Embora estas etapas de desenvolvimento tenham como objetivo último a adequação à operação e ao programa científico do COMPASS-U, as abordagens sistemáticas descritas e levadas a cabo podem ser aplicadas a dispositivos futuros. The magnetic diagnostic system delivers fundamental data to the operation and physics exploitation of magnetic confinement nuclear fusion devices. Whilst under continuous improvement since the first devices, the construction of new reactors poses an opportunity for advancements in magnetic diagnostics, tailored to their specific challenges and opportunities. The COMPASS-U tokamak, being developed in Prague, Czech Republic will have a unique set of parameters, featuring a 5 T toroidal magnetic field and metallic first wall heated to high temperatures. Enabled by an extensive set of diagnostics, this device will be able to support ITER operation and address DEMO and power plant relevant challenges. In this thesis, the challenges of magnetic diagnostic development for such a unique machine are addressed, and the design and development of key subsystems is shown – from sensors to cabling and electronics. Methods for precise calibration and measurement of magnetic sensor are developed; mitigation of the influence of metallic structures in sensors are studied; conclusions towards the choice of long data-transmission cables are drawn; and the implementation of a real-time numerical integration methods are qualified and new hardware developed. While these development steps have the ultimate goal of adequacy to the COMPASS-U operation and scientific program, the systematic approaches carried out and described can be applied future devices.