Presentation (Spanish) for the defence of the PhD of Vicente Queral: Rapid manufacturing methods for geometrically complex nuclear fusion devices: The UST_2 stellarator, performed in the Carlos III University of Madrid, Spain, on 26 June 2015

1. 1
Rapid manufacturing methods for
geometrically 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

2. 2
Fabricando surcos
del stellarator
UST_1, mayo del
2006.
Mi interés por los stellarators
Detalles
personales
• Ingeniero.
Anteriormente
maquinaria.
• Cálculo previo
de tokamak,
pero ~10 MW
→ stellarator.
• CIEMAT.
• Continúo con
stellarators.

3. 3
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 anteriores
Importancia de
la investigación
Bobinas sen-
cillas. CNT [2]
Plasma ↓ convolu-
cionado. LHD [1]

4. 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 problema
Importancia de
la investigación

5. 5
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 carencia
de 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

6. 6
• 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

7. 7
Se sigue un proceso de tres fases:
• Primero, se estudian configuraciones
magnéticas para stellarators existentes y se
selecciona una configuración.
• Segundo, se buscan y estudian antecedentes
de métodos constructivos. Se combinan, se
crean nuevos y algunos de ellos son probados.
• Tercero, ambas actividades investigadoras se
combinan en la fabricación de un stellarator.
Desarrollado mayormente en mi laboratorio
personal. Fondos crowdfunding y propios.
Fases del trabajoMetodología

8. Desarrollo del
trabajo
Conceptos y métodos explorados
Validación
Resultados

9. • 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 stellarator
Conceptos
y métodos

10. 10
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 stellarator
Conceptos
y métodos

11. 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 stellarator
Conceptos
y métodos

12. 12
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 estudiadas
Conceptos
y métodos

13. 13
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]
?

14. 14
Proceso de cálculo con código CASTELL
Conceptos
y métodos
NESCOIL,
campo de
bobina plana
Proyec
ción
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

15. 15
2) Large planar tilting
coils → 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 configuración
Conceptos
y métodos

16. 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?Elproblemaconstructivo
MA
Conceptos
y métodos

17. 17
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

18. 18
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

19. 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 structure
recibida. Selective
Laser Sintering.
Resultados Trust Concept

20. 20
+
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, 3Dformwork
Conceptos
y métodos

21. Frame structure

22. 22
El Coil frame se divide en dos (después del moldeado)
Cámara de vacío dentro
de medio Coil frame
Dos mitades
de Coil frame
Cierre con la 2ª mitad de
Coil frame. Cámara de
vacío modular.
Montaje de medio periodo
Conceptos
y métodos

24. 24
Diseño
Metodología de montaje
Validación Medio periodo finalizado montado

25. 25
Superposición de fotogramas
Concordancia
de puntos
experimentales
(azul claro) y
puntos
calculados
(línea azul), tal
como descrito
en la memoria
Esquema del
montaje
experimental
Concordancia experimentos-cálculosValidación

26. 26
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.
Validación Grabación de video de experimento

27. 27
• He obtenido una nueva configuración
magnética dotada de una sección recta
no torsionada a partir de QIPCC3,
manteniendo aceptable confinamiento
neoclásico.
Resultados Conseguida nueva configuración
• Ello puede aportar
ventajas construc-
tivas, de montaje y
operativas.

28. 28
Logrado método 3DformworkResultados
• He concebido, desarrollado y satisfactoria-
mente probado un método de manufactura
llamado 3Dformwork, basado en manufactura
aditiva combinada con moldeado no metálico.
• Utiliza escaso costoso material de
impresión 3D y, matriz económica y
resistente de resina (fibras).
• Las desviaciones dimensionales medidas
son <±0.3 %, aún excesivas.

29. 29
• He logrado un método de manufactura
rápido para stellarators (3Dformwork).
• Frame structure se produce por MA
(método rápido).
• Probado que moldeado
requiere poco tiempo.
Manufactura y montaje rápidoResultados
• La metodología de montaje
y posicionamiento probada
contribuye a montaje ágil.
Además, MA de todos los
elementos complejos en una
sola pieza (integración).

30. 30
• 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

31. Desarrollo del
trabajo
Conceptos y métodos explorados
Validación
Resultados
Conclusión
Relevancia del trabajo
Trabajo futuro

32. 32
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 magnética
Relevancia
del trabajo
He demostrado posible

33. 33
Sólo un trabajo tangible
en MA de stellarators?
Fuskite®,
(Sacristán
2014)
Algunos
otros
trabajos MA
tangibles en
fusión
‘Fabrication
of TBMs
cooling…’
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)

34. 34
• 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 fusión
Relevancia
del trabajo

35. 35
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 Frame
structure para MA en titanio
Aplicación a estructuras metálicasTrabajo futuro
Pieza MA en titanio.
Coste?. (AVIC 2013) [7]

36. 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

38. (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.,
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2003.
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(Jaksic 2011) Nikola Jaksic, ‘Alternative conceptual design of a magnet support structure for
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Bibliografía

39. 39
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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.
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40. Referencias de imágenes
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[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-
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41. 41