Presentazione ed Elenco Attività ENEA FUS TEC Frascati, 25 Mar 2004 IGNITOR: Presentazione Attività di Ingegneria A.Capriccioli(a), L.Cornaggia(b), P.Frosi(a) (a) Enea FUS TEC; (b) Soc.ALTECO Servizi di Ingegneria per l’Industria S.r.L. Questa di oggi vuole essere solatnto l'esposizione di "strumenti" di lavoro da utilizzare nel calcolo di Ignitor: evidentemente tale presentazione non può non passare tramite una "mostra" del lavoro che si è fatto. ELENCO DEI CAPITOLI SVILUPPATI 1 Calcolo strutturale per la Camera a vuoto 2 Calcolo elettromagnetico del sistema poloidale 3 Calcolo termico del sistema poloidale 4 Calcolo strutturale per le Forze In Piano (FIP) 5 Procedura per il calcolo delle forze elettromagnetiche fuori piano 6 Calcolo strutturale per le Forze Fuori Piano (FFP)

Collaborazione con Alteco (Inizio Lavori 1/12/2001) Collaborazione con Alteco

Architettura del Sistema

Files Comuni di Input Files Comuni di input Parte del file di GEOMETRIA S1.1 0.2180 0.2693 0.18550 0.3660 21.0 2 11 0.8046 cw35 0.0236 0.0317 0.0026 ……… S1.2 0.2693 0.3180 0.18550 0.3660 21.0 2 11 0.8005 cw20 0.0225 0.0317 0.0029 ……… S2.1 0.3216 0.3785 0.18550 0.3660 21.5 2 11 0.8207 cw35 0.0264 0.0317 0.0033 ……… S2.2 0.3785 0.4323 0.18550 0.3660 21.5 2 11 0.8115 cw20 0.0249 0.0317 0.0035 ……… S2.3 0.4323 0.4845 0.18550 0.3660 21.5 2 11 0.8016 cw20 0.0241 0.0317 0.00375 S2.4 0.4845 0.5352 0.18550 0.3660 21.5 2 11 0.7962 cw20 0.0235 0.0317 0.0040 S3.1 0.2180 0.2693 0.58850 0.3660 21.0 2 11 0.8046 cw35 0.0236 0.0317 0.0026 I1.1 0.2180 0.2693 -0.18550 0.3660 21.0 2 11 0.8046 cw35 0.0236 0.0317 0.0026 I1.2 0.2693 0.3180 -0.18550 0.3660 21.0 2 11 0.8005 cw20 0.0225 0.0317 0.0029 I2.1 0.3216 0.3785 -0.18550 0.3660 21.5 2 11 0.8207 cw35 0.0264 0.0317 0.0033 I2.2 0.3785 0.4323 -0.18550 0.3660 21.5 2 11 0.8115 cw20 0.0249 0.0317 0.0035 I2.3 0.4323 0.4845 -0.18550 0.3660 21.5 2 11 0.8016 cw20 0.0241 0.0317 0.00375 I2.4 0.4845 0.5352 -0.18550 0.3660 21.5 2 11 0.7962 cw20 0.0235 0.0317 0.0040 I3.1 0.2180 0.2693 -0.58850 0.3660 21.0 2 11 0.8046 cw35 0.0236 0.0317 0.0026 Rint Rest Zbar Hbob NspA Nso Nsv Cs Mat Lsp Hsp rfr Esempio di File di scenario -3.00 0.00 0.70 1.50 2.50 3.50 4.00 8.00 S1.1 0.000 0.500 0.170 -0.050 -0.700 -1.400 -1.450 -1.550 S1.2 0.000 0.500 0.170 -0.050 -0.700 -1.400 -1.450 -1.550 S2.1 0.000 1.575 0.560 -0.160 -1.040 -1.720 -1.760 -1.820 S2.2 0.000 1.575 0.560 -0.160 -1.040 -1.720 -1.760 -1.820 S2.3 0.000 1.575 0.560 -0.160 -1.040 -1.720 -1.760 -1.820 Parte del file Materiali :RAME (OFHC) CW20 MPTEMP,1,30,40,50,60,80,100 !cond.termica CuAg-DSC e/o materiali simili; Doc.IGN CRY I 1001 001 Rev1 del 5/6/'00 MPTEMP,7,150,200,250,300 MPDATA,KXX,mate,1,435,457,448,434,417,403 MPDATA,KXX,mate,7,379,369,370,365 MPTEMP MPTEMP,1,30,40,50,60,80,100 !calore specifico è relativo al rame OF e/o DS (vedi dati ABB) MPTEMP,7,120,160,200,250,300 MPDATA,C,mate,1,26.6,58.9,96.8,136,202,252 MPDATA,C,mate,7,287,331,356,374,385 MPTEMP,1,0,273,293 MPDATA,DENS,mate,1,9021,8934,8927.6 !densità RAME qualsiasi. Vedi Materials at low Temperatures allegato al documento "Componenti e MPTEMP ! scelte tecnologiche in appoggio al progetto IGNITOR" IGN A IGN I 0004 del 15/3/88 !RESISTIVITA' materiale OFHC cw 20% RRR90 !vedi doc. IGN OHT N 5103 000 : progetto IGNITOR Dimensionamento del trasformatore centrale 03/02/'03 Rev. 0.

Pianificazione

Capitolo 1 (CV) Modello FEM di 30° Modello FEM di 180°

Figure 1-4 Esempio di risultato nel settore di 30° Deformata a spostamenti circonferenziali Deformata a spostamenti poloidali Deformata a spostamenti radiali

Figure 5-8 ed Analisi effettuate Deformata a spostamenti verticali Utilizzazione del modello: Analisi delle rigidezze del mantello della CV ( giunto saldato); Analisi semplificate comparative della CV (parti in rame); Nessuna attività riguardante l’attuale disegno della CV di Ignitor.

Capitolo 2 (Calcolo Elettromagnetico PFC) Calcolo Elettromagnetico del Sistema Poloidale: 2001 2002 2003 2004 | 2005 (TFC======) PFC=======-------==========-----X ====20 Descrizione del Modello - Introduzione: Il fine del modello è la determinazione delle forze di natura elettromagnetica agenti su ogni poloidale e della densità di flusso magnetico. Quest’ultima grandezza verrà utilizzata nel successivo calcolo delle temperature dello stesso sistema di Bobine Poloidali e nel calcolo delle forze elettromagnetiche fuori piano agenti sulla bobina Toroidale. Le forze elettromagnetiche costituiranno, assieme alle temperature, l’input per le successive analisi strutturali dell’intera Load Assembly. Tutte le caratteristiche, geometriche, dei materiali e dello scenario delle correnti vengono importate da appositi files che costituiscono una banca dati comune sia al calcolo Elettromagnetico che Termico che Strutturale. - E’ un modello 2D ed utilizza elementi ANSYS Plane53 (8-nodi e 4-nodi Magnetic Solid), elementi Infin110 (2-D Infinite Solid) ed elementi CIRCU124 (elementi circuitali degli alimentatori); - Viene modellato tutto il Sistema di Bobine Poloidali, la Camera a Vuoto e la regione del Plasma; questi items sono circondati da regioni “aria” ed “infinito”. - Il Plasma viene descritto con 198 piccoli conduttori di circa 30 mm di lato nei quali fluisce parte delle corrente di plasma. La corrente totale imposta dallo scenario viene assegnata con una distribuzione spaziale di tipo parabolico, il cui massimo valore è il doppio del valore medio. - Per alimentare in corrente il sistema Poloidale si usano elementi ANSYS Circu124 che impongono ad ogni Bobina la corrente prevista. Ogni elemento FEM di ogni Poloidale corrisponde ad una spira del Poloidale stesso. - Il modello totale FEM include circa 22000 nodi e 18000 elementi e risulta totalmente simmetrico, ad esclusione della zona interna alla Camera da vuoto dove il plasma può assumere una distribuzione asimmetrica. - I dati di output del modello sono costituiti dalle forze elettromagnetiche nodali e dai valori della densità di flusso magnetico presenti in ogni poloidale ed in ogni istante delle scenario. Tali dati vengono automaticamente scritti in appositi files situati in apposite directories e costituiscono i dati di ingresso per le successive analisi. 01 Capitolo 2 (Calcolo Elettromagnetico PFC)

Figure 1-4 Esempio con Plasma e Mesh interna alla camera asimmetrica

Figure 5-8 Dati Maxfea originari Plasma tipo Maxfea Dati Maxfea smussati Plasma a 200 fili

Capitolo 3 (Calcolo Termico PFC) Calcolo Termico del Sistema Poloidale: 2001 2002 2003 2004 | 2005 (TFC======) PFC=======-----------==========|20 Descrizione del Modello - Introduzione: Il fine del modello è la determinazione delle temperature raggiunte dagli avvolgimenti delle bobine del Sistema Poloidale durante lo svolgimento dello scenario. Le temperature verranno utilizzate nel successivo calcolo Strutturale della Load Assembly sia per le Forze in Piano che Fuori Piano. Anche questo modello accede ai dati comuni di input (geometrie, materiali e scenario) e per i dati riguardanti i valori delle Densità di Flusso Magnetico importa i risultati del precedente calcolo elettromagnetico. - E’ un modello 3D ed utilizza elementi ANSYS Solid69 (3-D Thermal-Electric Solid) . - Viene modellato un settore di 2° in senso toroidale, per ogni poloidale e vengono descritte le singole spire con i relativi fori di raffreddamento, gli isolamenti di spira, interspira e contromassa. - L’analisi è di tipo statico e l’evoluzione della corrente in ogni spira viene imposta come forza nodale. - Nel calcolo è considerato l’effetto della magneto-resistenza: i valori di B vengono letti, per ogni poloidale e per ogni spira, con passo temporale 0.5 sec dai files precedentemente generati. - Il numero di elementi è variabile con la grandezza del poloidale in questione. Il sistema è totalmente automattizzato ed analizza singolarmente ogni polodale Superiore ed Inferiore in caso di scenari “asimmetrici”. - I dati di output del modello sono costituiti dai valori delle temperature nel tempo: tali valori vengono automaticamente salvati su file con apposito nome e nelle previste directories. 01

Figure 1-4

Figure 5-8 I risultati del modello sono stati ampiamente discussi e raffrontati con diversi altri sistemi di calcolo. Un punto particolarmente analizzato e dibattuto, nell’ambito del presente contratto con ANSALDO, è stata la rilevanza dell’aver considerato anche l’isolante nel calcolo delle temperature. E’ stato dimostrato che il considerare l’isolamento elettrico, con le sue caratteristiche termiche e nei tempi propri dello scenario, porta ad una diminuzione della temperatura massima di circa il 15% della massimo T che si sarebbe avuto se tale componente non fosse stato considerato (circa 30° in meno per i poloidali più caldi). L’isolamento di spira ed interspira risulta infatti a fine impulso a temperature prossime a quello dello stesso conduttore di rame: il suo calore specifico risulta circa 5 volte quello del rame con una densità di circa 1/4 e costituisce una capacità termica ed un volano considerevole di calore. La presenza di tale elemento andrebbe considerata anche in fase di raffreddamento.

Capitolo 4 (Modello Strutturale FIP ) Modello Strutturale Load Assembly FIP: 2001 2002 2003 2004 | 2005 --------------=========X20 Descrizione del Modello - Introduzione: Tale modello è relativo alle sole Forze In Piano (FIP). Per ciò che concerne le forze elettromagnetiche agenti sul sistema di bobine poloidali e per le loro temperature si è già parlato sia dei modelli relativi sia della generazione dei files risultati. Il modello strutturale importa automaticamente tali dati, a seconda dell’istante temporale che si vuole analizzare. Rimangono da importare le temperature e le forze in piano agenti sulla bobina Toroidale: per tali forze si fa riferimento ai risultati del codice FORTE. E’ necessario predisporre preventivamente appositi files direttamente “copiati” dal FORTE ed applicare un’apposita procedura per il passaggio dei carichi dalla mesh FORTE a quella Strutturale. - Il modello descrive un settore angolare di 15° e comprende tutto il sistema poloidale, la TFC, il CClamp (A e B) che la racchiude, il sistema di precarico passivo e la pressa attiva. E’ presente il sistema di precarico delle bobine dell’OHT, il sistema di centraggio rispetto alla TFC e tutti gli elementi unilaterali di contatto presenti tra tutti gli elementi detti. - E’ un modello totalmente 3D ed utilizza elementi ANSYS Solid45 (3-D Structural Solid) e Contac52 (3- D Point-to-Point Contact). - Elemento fondamentale è il Gap tra OHT e TFC: tale gap è assicurato da apposite Real Constant determinate secondo un’apposita procedura e particolare attenzione è stata dedicata alla determinazione della rigidezza di contatto KN degli elementi non lineari. - L’analisi è di tipo statico in campo elastico con elementi gap senza attrito. 01

Figura 1 Volumi che progressivamente completano il settore di 15° della Load Assembly di Ignitor

Modello Strutturale FEM del settore di 15° per le Forze in Piano. Sotto: Elementi GAP Contac52 non lineari (circa 3000) Figure 2-5

Sofe 2003

Capitolo 5 (Procedura di Calcolo per le FFP ) Procedura per il Calcolo delle FFP: 2001 2002 2003 2004 | 2005 =========X20 Descrizione: La procedura, scritta per ANSYS, ha lo scopo di calcolare e scrivere su file le Forze Fuori Piano nodali da applicare alla bobina toroidale nel successivo modello strutturale di un intero settore (30°) della macchina. Tale procedura è strutturata in modo da leggere, da appositi files “copiati” dall’output FORTE, le densità di corrente (JR e JZ) relative ai singoli elementi della mesh FORTE. Una volta lette, tali densità sono moltiplicate vettorialmente per le componenti della densità di flusso poloidale (BR e BZ). I dati relativi al B poloidale sono contenuti nei risultati del precedente modello elettromagnetico: la procedura di calcolo non farà altro che andare a riprendere, per l’istante temporale voluto, e calcolare (con apposita interpolazione piana) i valori di BR e BZ nei centroidi degli elementi FORTE a cui corrispondono le densità di corrente appena lette. Alla fine del prodotto JxB abbiamo le densità di forza (N/m3) relative ai centroidi FORTE. Ora è necessario esportare tali densità di forze nella mesh strutturale: a tal fine sono state messe a confronto varie soluzioni. La soluzione migliore è risultata quella di constituire una “banca dati” di densità di forze spazialmente più numerosa possibile; ciò è stato fatto creando una serie di nodi composti dai nodi originari FORTE più dei nodi fittizzi, corrispondenti ai centroidi degli elementi FORTE. A tali nodi fittizzi sono associate le densità di forze appena trovate ed agli altri nodi densità di forze opportunamente trasposte. Ora abbiamo a disposizione una serie di punti molto maggiore dei nodi della mesh strutturale e per attribiure a questi ultimi nodi la forza cercata basterà selezionare il punto più vicino al nodo strutturale ed attribuirgli la relativa densità di forza * il volume ad esso corrispondente su 360°. Terminata l’elaborazione relativa ad ogni nodo strutturale, contenuto in una sezione piana della TFC, si procede nella scrittura del file che conterrà le informazioni relative al nodo-forza nodale su 360°. Penserà il successivo modello strutturale 3D a ripartire tali forze tra i nodi delle due TFC in esso contenute. 01

Figure 1-4 Mesh FORTE Mesh Strutturale

Dati FORTE

Figura TFC+FIP+FFP TFC nel modello Strutturale dell’intero Settore di 30° con Forze In Piano e Forze Fuori Piano

Capitolo 6 (Modello Strutturale FIP+FFP) Modello Strutturale Load Assembly FIP e FFP: 2001 2002 2003 2004 | 2005 =========X20 Descrizione del Modello - Introduzione: Tale modello è relativo alle Forze In Piano (FIP) e Forze Fuori Piano (FFP). Come nel precedente modello relativo alle sole FIP, le forze elettromagnetiche agenti sul sistema di bobine poloidali e le loro temperature vengono importate da files precedentemente generati. Per la TFC si devono aggiungere ai precedenti carichi, quelli ultimi dovuti alle FFP e di cui si è detto nel precedente capitolo. - Il modello descrive un settore angolare di 30° e comprende tutto il sistema poloidale, le 2 TFC, i 4 CClamp (A, B, C e D) che le racchiudono, il sistema di precarico passivo e la pressa attiva. E’ presente il sistema di precarico delle bobine dell’OHT, il sistema di centraggio rispetto alla TFC e tutti gli elementi unilaterali di contatto presenti tra tutti gli elementi detti. - E’ un modello totalmente 3D ed utilizza elementi ANSYS Solid45 (3-D Structural Solid) e Contac52 (3-D Point-to-Point Contact) per un totale di circa 45000 nodi e 33000 elementi. - Punto fondamentale è il Gap tra OHT e TFC: tale gap è assicurato da apposite Real Constant determinate secondo un’apposita procedura e particolare attenzione è stata dedicata alla determinazione della rigidezza di contatto KN degli elementi non lineari (identico al modello FIP di 15°). - Un discorso a parte, e più in dettaglio, andrebbe dedicato alle condizioni di vincolo ed al contorno. Tale punto è stato oggetto di modelli semplificati aggiuntivi tesi ad analizzare varie modalità di vincolo. Nel presente modello le superfici in wedging possono slittare tra loro ma non possono staccarsi circonferenzialmente. Per vedere se compare un “dewedging” è necessario analizzare le tensioni circonferenziali di Hoop. E’ altresì possibile un’altra via che permette, sempre con una descrizione del singolo settore di 30°, avere elementi GAP anche nelle zone in wedging. Tale ultima soluzione è stata identificata solo a posteriori del completamento del modello di 30° e potrebbe, se interessa, costituire un’attività aggiuntiva. - Sono stati fissati e 4 casi, con diverse condizioni al contorno e nelle zone di wedging: vedi la figura per evidenziare le differenze. - L’analisi è di tipo statico in campo elastico con elementi gap senza attrito. 01

Figure 1-4

Figure 5-7

4 casi per le FFP

TFC con ANSYS

Prova TFC con ANSYS

Modello di dettaglio: Analisi Strutturale del Poloidale 1 Modelli di dettaglio

Modello di dettaglio: Analisi Termica di un Poloidale Modelli di dettaglio

Conclusioni Gli strumenti di calcolo, nel loro complesso, messi a punto nel corso degli ultimi 4 anni, coprono la modellizzazione dell'intera macchina, fino ad arrivare al dettaglio della singola bobina. La modellizzazione FEM non può essere considerata oggi semplicemente "verifica di dettaglio": essendo inserita in modo sempre più profondo nelle attività ingegneristiche deve essere considetara appieno come "strumento di progettazione" in possesso degli stessi progettisti. In questo senso, i modelli presentati sono stati sviluppati; l'intento era di mettere ENEA in grado di decidere direttamente sia sulle scelte progettuali di fondo sia sulla conoscenza “inviluppo” della macchina sia sulle attività di controllo verso l'esterno, che comunque le competono. E’ parere personale che, qualsiasi siano gli scenari ipotizzabili nella Fusione, Enti di ricerca come l'ENEA non debbano rinunciare allo sviluppo ed al mantenimento costante di competenze “sporcandosi direttamente le mani” nell’esecuzione delle attività, senza limitarsi alle seppur importati esperienze passate per fare "Agenzia“. Andrea Capriccioli http://www.afs.enea.it/capricci/andrea.htm