Study, development and analysis of In-vessel pick-up coil sensors for ITER magnetic diagnostic and n & gamma detection in fusion plasmas

Il lavoro di ricerca descritto in questa tesi è stato dedicato al tema della diagnostica magnetica per ITER e alla rivelazione dei neutroni e dei raggi gamma nell'esperimento RFX-mod. L'obiettivo principale è stato il disegno di un nuovo concetto di bobine pick-up, basate sulla tecnologia Low-Temperature Co-fired Ceramic (LTCC), che è stata proposta nella fase concettuale del disegno per il sistema diagnostico magnetico di vuoto di ITER. Il disegno, nella fase preliminare è stato sviluppato nell'ambito di una collaborazione internazionale, diretta dal consorzio RFX e finanziata dall'agenzia europea Fusion for Energy (F4E) e dall'organizzazione ITER. Le attività realizzate durante il periodo di dottorato si sono concentrate sui vari aspetti del disegno dei sistemi di diagnostico in plasma, come l'analisi termico-meccanica, l'interazione neutronica, il disegno dei sistemi di vuoto e le prove termoelettriche in sensori prototipo. Nella fase finale del dottorato le abilità e conoscenze acquisite sono state applicate all'installazione e all'operazione di un sistema per la rivelazione di neutroni e fotoni in RFX-mod. I risultati più importanti ottenuti nei diversi argomenti studiati sono descritti nei seguenti capitoli: Parte teorica e contesto della tesi (Capitoli 1, 2 e 3): In questi capitoli, dopo una descrizione basilare della fusione nucleare, le basi teoriche e gli argomenti principali che hanno motivato questa ricerca sono descritti, con un'enfasi specifica sulla diagnostica magnetica. Lo studio riportato in questa parte è supportato dalla consultazione di una estesa letteratura riguardo ai lavori teorici e tecnici realizzati precedentemente nel disegno e nello sviluppo di bobine magnetiche basate sulla tecnologia LTCC, che ha condotto al disegno di un nuovo gruppo di prototipi, migliorati per soddisfare i requisiti di ITER. Caratterizzazione dei sensori prototipo (Capitolo 4): Questo capitolo descrive una serie di prove per la caratterizzazione dei sensori prototipo, sviluppati con lo scopo di elaborare un disegno dettagliato per il sistema magnetico di ITER. Per raggiungere questo obiettivo si è creato un protocollo formale delle prove necessarie per la caratterizzazione totale dei sensori. Nello specifico, queste prove sono state concentrate sull'analisi della planarità, delle dimensioni fisiche, delle caratteristiche elettriche magnetiche e termoelettriche di quaranta sensori prototipo (terza generazione). Compatibilità con vuoto (Capitolo 5): In questo capitolo sono descritti i principali poblemi legati alla compatibilità dei componenti in vuoto, come nel caso dei sensori magnetici. `E avanzata una proposta di disegno di un sistema di prova per la misurazione del degasamento. Viene presentata inoltre una dettagliata descrizione del sistema in CAD, e la stima del costo. Assemblaggio meccanico del sensore (Capitolo 6): In questo capitolo vengono descritti gli aspetti legati all'analisi termomeccanica del supporto del sensore dentro la camera di vuoto di ITER. Vari argomenti sono stati studiati con adeguate simulazioni FEM. Per prima cosa si è valutato il gradiente di temperatura dentro il corpo del sensore, per minimizzare la misurazione del rumore di fondo dovuto alla sensibilità termica; in seguito si è ottimizzato lo stress indotto dalla saldatura; infine si è studiata la fattibilità tecnica dell'applicazione dei metodi per saldatura delle connessioni elettriche del sensore. Simulazioni dei sensori LTCC sotto radiazione neutronica (Capitolo 7): Questo capitolo è dedicato alla valutazione della potenza nucleare indotta [W/cm^3 ] dalle interazioni neutroniche dentro il sensore LTCC, considerando un gruppo di spettri neutronici [n/cm^2 /s] tipico del blanket di ITER. Questo studio consiste nella realizzazione di una serie di simulazioni di interazione neutronica, basate sul metodo Monte Carlo, utilizzando un modello dettagliato del sensore e due potenziali ubicazioni per l'installazione. RFX-mod come fonte di neutroni e raggi gamma (Capitolo 8): Questo capitolo riassume le attività realizzate durante l'installazione e l'operazione di due rivelatori a scintillio (Nal Scintillator e NE213 Liquid Scitillator) nel periodo della sessione sperimentale (gennaio-settembre 2014) di RFX-mod. Questo esperimento rappresenta la fase iniziale nella rivelazione dei neutroni e nella produzione di fotoni in plasma di deuterio in RFX-mod. Un totale di 1185 impulsi sono stati analizzati nei sette mesi di sessione sperimentale: è stato misurato il fondo di emissione neutronica, si è discusso il blindaggio magnetico e sono stati inoltre studiati e documentati problemi di calibrazione e acquisizione dei dati