Andrea Capriccioli
ENEA
FUS TEC
Frascati, 25 Mag 2004
Modello Elettromagnetico, Termico e Strutturale di
un Sistema di Bobine Toroidali con geometria Ignitor
• Il modello presentato ha il fine di descrivere un sistema
magnetico toroidale di una macchina tipo Tokamak: nel
caso particolare la geometria e la composizione delle
bobine, la disposizione e lo scenario delle correnti è quello
del reattore Ignitor.
• Nel suo complesso il sistema di calcolo si avvale di tre
modelli: il primo è quello del calcolo elettromagnetico e
termico; il secondo è relativo al calcolo del ripple ed il
terzo è un esempio di modello strutturale della singola
bobina Toroidale con materiale stratificato.
Modello Elettromagnetico e Termico
• Il modello realizzato in ambito ANSYS è 3D, utilizza
elementi Solid97 (3-D Magnetic Solid) per la parte
elettromagnetica, Solid70 (3-D Thermal Solid) e Fluid116
(Coupled Thermal-Fluid Pipe) per la parte termica, Circu124
(Electric Circuit) per imporre lo scenario delle correnti ed
INFIN111 (3-D Infinite Solid) per le condizioni al contorno.
• L’analisi è transiente, tiene in conto sia dell’effetto della
magneto-resistenza che del calore prodotto per effetto
neutronico e l’intero modello è composto da circa 6000
elementi e 9000 nodi (la sola TFC ha un numero di
elementi pari a circa 1.5 volte quello FORTE).
• Il calcolo viene effettuato utilizzando la procedura del
“Restart” sia per l’analisi elettromagnetica che termica.
• I due modelli calcolano alternativamente la distribuzione
delle correnti nel conduttore massivo, la correlata densità
di flusso magnetico e le temperature che a tali distribuzioni
sono associate, sia per quanto concerne l’effetto Joule che
l’effetto della Magneto-Resistenza.
• Il ciclo di calcolo seguita con queste due componenti fino
al momento in cui si decide di inserire anche il calore
generato, sia nel rame della TFC che nell’isolante
interspira, dal flusso neutronico. Al termine di questo
periodo, il calcolo riprende con le sole due componenti già
viste.
• La durata del calcolo completo, con il numero di elementi
detto, risulta inferiore ad 1 ora; il grado di rifinitura della
mesh è parametrizzato in base a due sole costanti.
Mesh del modello Elettromagnetico.
E’ visibile la gamba interna in wedging
della TFC circondata da “aria” e dagli
elementi “infinito” che partono proprio
dagli elementi aria. Tali elementi coprono
la TFC anche esternamente oltre che
lateralmente.
E’ visibile solamente la TFC nella sua
parte in rame: il modello descrive metà
spira con una estensione angolare della
parte in wedging di circa ed inferiore a
0.75 gradi ed 1 elemento in senso
toroidale.
Adagiato sulla mezza spira di TFC vi è lo
spessore costante di isolante interspira.
L’apertura angolare della parte rastremata
è ancora inferiore a 0.75 gradi (per la
presenza dell’isolante contro-massa e
dello schermo anti frizione).
E’ visibile “l’aria” che circonda
esternamente, e da un solo lato, la mezza
spira di rame. La parte in rosso è
solamente per evidenziare la zona interna
alla TFC ed occupata dalla camera e dal
plasma.
Quello rappresentato è il sistema toroidale
magneticamente e termicamente equivalente
a quello modellato: è un sistema 3D ma
risulta distribuito in modo omogeneo e
costituito da un’alternanza di singole spire,
ricoperte dall’isolante interspira che ad
ognuna compete.
Ovviamente lo spazio toroidale vuoto tra
spira e spira è, nel modello elettr., descritto
da quegli elementi “aria” appena visti.
Nella geometria di Ignitor 10 di queste spire
vengono raggruppate a formare una singola
bobina TFC: l’effetto del ”Ripple” toroidale
risulta in questo caso amplificato e per
analizzarne gli andamenti ed i valori è stato
prodotto un specifico modello, derivato
direttamente da questo.
Risultati FORTE
Potenza neutronica applicata per 2 sec (da 8 a 10)
Potenza neutronica FORTE
ANSYS EMAG_TFC
Dati FORTE
Risultati ANSYS: Confronto tra le temperature raggiunte con e senza
applicazione del carico neutronico tra 8 e 10 sec e con la distribuzione di
potenza mostrata.
Raffreddamento:
Viene
presa
in
considerazione una spira intera, con i due
spessori di isolamento interspira ed il canale
di refrigerazione che percorre parte del suo
dorso. Vengono attribuite al fluido (gas He)
le condizioni di pressione in ingresso ed
uscita dal canale e l’andamento temporale
della temperatura in ingresso. Le condizioni
iniziali che riguardano le temperature del
rame e dell’isolante vengono direttamente
importate dai risultati del modello termico.
Analisi del Ripple
Modello FEM di una
bobina TFC intera.
Vi sono 10 spire di
rame senza isolamento
di spira e circondate da
elementi “aria” ed
elementi “infinito”.
L’apertura
angolare
della parte di gamba
rastremata
risulta
inferiore a 7.5°, per
tenere in conto degli
isolamenti
e
dello
schermo antifrizione.
Il modello di partenza è
lo stesso di quello
utilizzato per il calcolo
elettromagnetico e da
esso viene prelevata la
distribuzione
delle
densità di corrente, per
l’istante che si desidera
analizzare (si ipotizza
una distribuzione di
corrente identica per
tutte le spire).
Modello Strutturale
Il modello descrive una bobina TFC intera (quella
rappresentata, per motivi di dimensione del modello, è
una metà equatoriale).
E’ possibile vedere le 10 spire di rame e gli isolamenti
interspira (0.25 mm per spira).
E’ opportuno dire che il modello va analizzato
ulteriormente: il numero di elementi che andrebbe
considerato per non far insorgere problemi di “shape” è
tale da superare i limiti imposti all’attuale versione in
uso ENEA e che, comunque, un’analisi della bobina
intera appare difficile e tale da dover far pensare ad una
modellizzazione “a parti”.
Isolamento Contro-Massa
Schermo Anti Frizione
I dati in ingresso al calcolo Strutturale, forze e temperature, dovranno essere prese dal precedente calcolo
elettromagnetico e termico (la mesh di base è la stessa), mentre le condizioni al contorno dovranno essere prese
dal precedente calcolo strutturale per le forze In e Fuori Piano, con materiali omogeneizzati.
Conclusioni
Si ritiene che i modelli ANSYS descritti siano tali da poter rispondere ad ogni aspetto che analisi di
questo tipo di sistemi comportano. In modo particolare, l’analisi elettromagnetica transiente con
elementi conduttori massivi, in presenza di magneto-resistenza è l’aspetto qualificante del presente
insieme di modelli. Una sua utilizzazione sembra strategicamente significativa non tanto per quanto
riguarda IGNITOR che, con il codice FORTE ha una sua completezza, ma per altre possibili
applicazioni similari con geometrie e condizioni diverse.