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Rapid manufacturing methods forgeometrically complex nuclear fusion devices:The UST_2 stellarator

Vicente M. Queral Mas

Director

Dr. Víctor Tribaldos Macía

DEPARTAMENTO DE FÍSICA

Presentación para lectura y defensa de la tesis doctoral

Leganés, Madrid

26 de junio 2015

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Fabricando surcos del stellarator UST_1, mayo del 2006.

Mi interés por los stellaratorsDetalles personales

• Ingeniero. Anteriormente maquinaria.

• Cálculo previo de tokamak, pero ~10 MW → stellarator.

• CIEMAT.

• Continúo con stellarators.

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Otro problema es la alta complejidad geométrica de los dispositivos, a alta exactitud.

Concepto de manufactura aditiva de estructura continua (Waganer 2008)

Plasma contorsionado para un stellarator avanzado

Un problema en investigación en stellarators es el cálculo de configuraciones magnéticas excelentes.

Problema. Soluciones anterioresImportancia de la investigación

Bobinas sen-cillas. CNT [2]

Plasma ↓ convolu-cionado. LHD [1]

4

Bobinas independientes sobre anillo, W7-X (Wanner 2006) [3]

Estructura de barras para bobinas (Jaksic 2011)

Número modesto de soluciones e investigación

Soluciones anteriores al problemaImportancia de la investigación

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Objetivo del trabajo.

Contribuir al problema de la construcción de stellarators, eventualmente por MA.

Pregunta de investigación.

‘This thesis investigates whether a manufacturing method based partially on additive manufacturing…may speed up and lower the construction cost of certain stellarators’.

Importante para acelerar el ciclo productivo de stellarators y de experimentos.

Objetivo Objetivo. Pregunta de investigación

En vista del hecho que:

• Hay una carenciade conocimiento en el problema geométrico.

• Este problema es de mi interés y adecuado a mi formación.

• La investigación en MA para stellarators es escasa.

MA : Manufactura aditiva

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• Investigación esencialmente exploratoria.

• Investigación aplicada.

• Integrativa.

• Se llevan a cabo Experimentos en ingeniería.

Por tanto, el conocimiento generado es esencialmente sobre nuevos métodos (de manufactura) y generación de conocimiento técnico (know-how).

Sólo se estudian aspectos geométricos e integrativos (no esfuerzos, tensiones, …).

Metodología Metodología de la investigación

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Se sigue un proceso de tres fases:

• Primero, se estudian configuracionesmagnéticas para stellarators existentes y seselecciona una configuración.

• Segundo, se buscan y estudian antecedentesde métodos constructivos. Se combinan, secrean nuevos y algunos de ellos son probados.

• Tercero, ambas actividades investigadoras secombinan en la fabricación de un stellarator.

Desarrollado mayormente en mi laboratoriopersonal. Fondos crowdfunding y propios.

Fases del trabajoMetodología

Desarrollo del trabajo

Conceptos y métodos explorados

Validación

Resultados

• UST_1 stellarator fue diseñado, construido y operado por mi desde 2005 a 2007 en mi laboratorio personal.

• Las bobinas fueron construidas por medio de una innovadora máquina fresadora toroidal.

UST_1 facility

Fresadora toroidal

Instalación

Antecedentes. UST_1 stellaratorConceptos y métodos

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Compresión de conductor en el surco

UST_1 finalizado

1º. Concepto de Monolithic frame

Dos conceptos principales desarrollados

2º. Conductor comprimido en surco

Antecedentes. UST_1 stellaratorConceptos y métodos

Resultados principales (relevantes para la presente

investigación)

Ha generado inspiración en otros investigadores.

SCR-1 stellarator (Costa Rica)

Fotografía cortesía de ITCR

◦ La fresadora toroidal es inadecuada para superficies de bobinado muy convolucionadas y,

◦ costosa para construir un solo dispositivo.

• La combinación de un marco monolítico con surcos y,

• la compresión del cable en el surco resultó efectiva.

Antecedentes. UST_1 stellaratorConceptos y métodos

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QPS

QIPCC3 SELECCIONADA

QIPCC3 es un stellarator Quasi-isodinámico de 3 periodos suministrado por investigadores alemanes(Mikhailov 2004)

QIPCC2

Otras: NCSX-TU, QIPCC6

QIPCC3

Configuraciones magnéticas estudiadasConceptos y métodos

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QIPCC3

¿Modificar QIPCC3 para mejora de algunas propie-dades de ingeniería?

Modificación de QIPCC3

Diferentes conceptos en bibliografía. Inspiración

(Imai 2011, Kulygin 2006, Spong 2010, Queral 2010)

Conceptos y métodos

? • Espacio

Conceptos aún difusos

• Idea de bobinas basculantes

Puertos amplios

(Wang 2005) [4]

?

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Proceso de cálculo con código CASTELLConceptos y métodos

NESCOIL, campo de

bobina plana

Proyección

Modificación de 3 coefi-cientes de Fourier de QIPCC3

• El proceso se repite para ~1000 configuraciones magnéticas definidas por diferentes parámetros.

• Se elije la mejor configuración encontrada. Transporte neoclásico ~3.5 veces mayor, aceptable.

NESCOIL

Alargamiento y compresión

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2) Large planar tiltingcoils → Puertos anchos

1) Separación en módulos.

2) Puertos anchos para rápido acceso in-vessel.

3) Espacio para posibles sistemas de extracción de potencia innovadores.

Potenciales ventajas de ingeniería del concepto (algunas solo aplicables a grandes stellarators)

3) Espacio

1)

Propiedades de la configuraciónConceptos y métodos

Concepto de MA del reactor ARIES-CS

Bobinas independientes

Marco modular (Hartwell 2003)

Monolithic frameEncofrado (formwork)curvo [5]

MA en metal, permeador(Sacristán 2014)

Otros métodos de manufactura

¿Qué métodos seleccionar?El pro

ble

ma c

onstr

uctivo

MA

Conceptos y métodos

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Diseño para prueba de concepto

Combinación de sector de superficie de bobinado, sector de cámara de vacío (double hull) y barras estructurales. Interior relleno de material capaz de curar o fraguar.

Inicialmente seleccionado:

Estudio en la memoria

1er método explorado, Hull Concept

Resultados principales: • Robusto y exacto. ◦ Quizás, demasiado

costoso (80€) al escalarlo.◦ Mejorable resistencia de la

estructura de barras.

Conceptos y métodos

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Detalle ‘A’ de estructura de cerchas

CAD Automation

Manufactura aditiva

Después de producción, la estructura de cerchas se cubre con una lámina de plástico, y el volumen interior se moldea

Hull Concept

Cercha (truss)

Estructura de cerchas curvas

2o método explorado, Truss Concept Conceptos y métodos

Medio sector moldeado con esca-yola dura

Resultados principales: • Consumo bajo de material de

impresión 3D (sólo 168 cm3

200 €).◦ Largo tiempo de preparación (4h).◦ Arqueado térmico (2 mm).

Test de montaje de sector de Coil frame

Proceso previo al moldeado

Frame structurerecibida. SelectiveLaser Sintering.

Resultados Trust Concept

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+

Moldeado con resina, u otro material, en interior del volumen. El ‘molde’ permanece unido.

Ligera estructura de cerchas recubierta por fina envoltura, todo fabricado por MA (no

superficie interna en figura).

Resultado de Hull Concept

Resultado de Trust Concept

3er método explorado, 3DformworkConceptos y métodos

Frame structure

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El Coil frame se divide en dos (después del moldeado)

Cámara de vacío dentro

de medio Coil frame

Dos mitades

de Coil frameCierre con la 2ª mitad de

Coil frame. Cámara de

vacío modular.

Montaje de medio periodoConceptos y métodos

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Diseño

Metodología de montaje

Validación Medio periodo finalizado montado

25Superposición de fotogramas

Concordancia de puntos

experimentales (azul claro) y

puntos calculados

(línea azul), tal como descrito en la memoria

Esquema del montajeexperimental

Concordancia experimentos-cálculosValidación

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Por tanto, los experimentos prueban que no se han producido errores importantes durante el desarrollo del trabajo y que el stellarator UST_2 probablemente resultará satisfactorio.

N202_F70-135.mpg

Validación Grabación de video de experimento

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• He obtenido una nueva configuraciónmagnética dotada de una sección rectano torsionada a partir de QIPCC3,manteniendo aceptable confinamientoneoclásico.

Resultados Conseguida nueva configuración

• Ello puede aportar ventajas construc-tivas, de montaje y operativas.

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Logrado método 3Dformwork Resultados

• He concebido, desarrollado y satisfactoria-mente probado un método de manufacturallamado 3Dformwork, basado en manufacturaaditiva combinada con moldeado no metálico.

• Utiliza escaso costoso material deimpresión 3D y, matriz económica yresistente de resina (fibras).

• Las desviaciones dimensionales medidasson <±0.3 %, aún excesivas.

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• He logrado un método de manufacturarápido para stellarators (3Dformwork).

• Frame structure se produce por MA(método rápido).

• Probado que moldeadorequiere poco tiempo.

Manufactura y montaje rápidoResultados

• La metodología de montajey posicionamiento probadacontribuye a montaje ágil.Además, MA de todos loselementos complejos en unasola pieza (integración).

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• He probado experimental-mente la corrección del trabajo. No hay errores importantes en cada una de las fases del proceso de investigación concordancia experimentos y cálculos.

Trabajo validado experimentalmenteResultados

Desarrollo del trabajo

Conceptos y métodos explorados

Validación

Resultados

ConclusiónRelevancia del trabajo

Trabajo futuro

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cualquier configuración magnética factible, construible rápidamente y a coste moderado.

Es importante para el avance de la física del plasma.

• Numerosas bobinas,• de pequeño radio de

curvatura,• de gran complejidad.

Por tanto,

Cualquier configuración magnéticaRelevancia del trabajo

He demostrado posible

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Sólo un trabajo tangible en MA de stellarators?

Fuskite®, (Sacristán 2014)

Algunos otros

trabajos MA tangibles en

fusión

‘Fabricationof TBMscooling…’

Relevancia del trabajo

Por tanto, un espacio en el conocimiento de manufactura (aditiva) para stellarators ha sido llenado

Test para ITER blankets [6]

Valioso conocimiento generado

(Ordás 2014)

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• He desarrollado y probado un método constructivo rápido para stellarators de alta complejidad geométrica.

• El método de manufactura es de coste moderado.

• Es una idea original explorada (probable-mente) por primera vez en el mundo.

Aportación relevante a la fusiónRelevancia del trabajo

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Se conjeturan diferentes combinaciones de materiales metálicos para el Frame structure y el material de relleno.

Podría tener aplicación a dispositivos con radiación.

Mismo concepto de Framestructure para MA en titanio

Aplicación a estructuras metálicas Trabajo futuro

Pieza MA en titanio. Coste?. (AVIC 2013) [7]

A) Stellarator de baja razón de aspecto con posibilidad de alcanzar un segundo régimen de estabilidad

Investigación de construcción de un stellarator de Vp = 0.1 m3 por métodos similares (opción A o B)

B) Stellarator de alta razón de aspecto y alto <β>lim

<β>lim ~10% A=10 (Ku 2010)

<β>lim ~ 9% A=12 (Subbotin 2006)

P. ej. Stellarator quasi-isodinámico de 6 periodos

QPS o similar de 3 periodos

Trabajo futuro Aplicación a ciertas configuraciones

(AVIC 2013) AVIC Laser (AVIC Heavy Machinery subsidiary), ‘16th China International High-tech

Expo’, Beijing, 21-26 May 2013, web site www.france-metallurgie.com, August 2014.

(Hartwell 2003) G.J. Hartwell, S.F. Knowlton, J. Armstrong, J. Peterson, C. Montgomery, et al.,

‘Construction Progress of the Compact Toroidal Hybrid’, Poster presentation in ANS 45th Annual

Meeting of the Division of Plasma Physics, Albuquerque, New Mexico (USA), 27-31 Octubre

2003.

(Imai 11) T. Imai, M. Ichimura, Y. Nakashima, I. Katanuma, M. Yoshikawa, et al., ‘Status and plan

of GAMMA 10 tandem mirror program’, Transactions of Fusion Science and Technology 59 1–8,

2011.

(Jaksic 2011) Nikola Jaksic, ‘Alternative conceptual design of a magnet support structure for

plasma fusion devices of stellarator type’, Boris Mendelevitch, Jörg Tretter, Fus. Eng. and Des. 86

689–693, 2011.

(Ku 2010) L.P. Ku and A.H. Boozer, ‘New Classes of Quasi-helically Symmetric Stellarators’,

Report PPPL 4540, Agosto, 2010.

(Kulygin 2006) V.M. Kulygin, V.V. Arsenin, V.A. Zhiltsov, A.V. Zvonkov, A.A. Skovoroda, A.V.

Timofeev, Project EPSILON – the way to steady state high β fusion reactor, Ref. IC/P7-1,

Proceedings of the IAEA XXI Fusion Energy Conference (Chengdu, China), 16-21 October 2006.

(Mikhailov 2004) M. I. Mikhailov et al., ‘Comparison of the properties of Quasi-isodynamic

configurations for Different Number of Periods’, 31st EPS Conference on Plasma Phys. London,

28 June - 2 July 2004 ECA Vol.28G, P-4.166, 2004.

Bibliografía

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Bibliografía

(Ordas 2014) Nerea Ordas, ‘Fabrication of TBMs cooling structures demonstrators using additive

manufacturing (AM) technology and AM+HIP’, Presentación en 28th Symposium on Fusion

Technology (SOFT), San Sebastián (Spain), 29 Septiembre - 3 Octubre 2014.

(Queral 2010) V. Queral, ‘High-field pulsed Allure Ignition Stellarator’, Stellarator News, n. 125,

2010.

(Sacristán 2014) R. Sacristán, G. Veredas, I. Bonjoch, I. Peñalva, E. Calderón, et al., ‘Fuskite®

preliminary experimental tests based on permeation against vacuum for hydrogen recovery as a

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(Spong 2010) Donald A. Spong and Jeffrey H. Harris, ‘New QP/QI Symmetric Stellarator

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(Subbotin 2006) A.A. Subbotin, M.I. Mikhailov, V.D. Shafranov, M.Yu. Isaev, C. Nührenberg, J.

Nührenberg, et al.,‘Integrated physics optimization of a quasi-isodynamic stellarator with poloidally

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(Waganer 2008) Lester M. Waganer, Kevin T. Slattery, John C. Waldrop iii, and ARIES Team,

‘ARIES-CS COIL STRUCTURE ADVANCED FABRICATION APPROACH’, Fusion Science and

Technology Vol. 54, 2008.

(Wang 2005) X.R. Wang, et al. and the ARIES Team,‘MAINTENANCE APPROACHES FOR

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(Wanner 2006) M. Wanner and the W7-X Team, ‘Construction and assembly of WENDELSTEIN

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Referencias de imágenes

[1] Sitio web, http://tokamaktales.blogspot.com.es/2014_07_01_archive.html, 2015

[2] Thomas S. Pedersen, et al., ‘First results from CNT’, Presentation from the Columbia

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[3] J. Duhovnik, B. Jerman, T. Kolšek , J. Kramar J., N. Mole et al. (University of Ljubljana),

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Report 2005 – Fusion Physics Programme, Slovenian Fusion Association (EURATOM-MHEST), 21–27, 2005.

[4] Farrokh Najmabadi and the ARIES Team, ‘Recent Progress in ARIES Compact Stellarator

Study’, Presentation in 15th International Toki Conference 6-9 December 2005, Toki, Japan, 2005.

[5] Sitio web www.peri.es/proyectos.cfm/fuseaction/diashow/reference_ID/459/

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[6] Stefan Wikman, ‘Materials and Components Qualification for ITER’, Presentation, 2014.

[7] Web site, http://www.3ders.org/articles/20130529-china-shows-off-world-largest-3d-printed-

titanium-fighter-component.html, 2014.

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