Numerical studies of a negative ion beam and of a tomographic beam diagnostic

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) è un reattore sperimentale a fusione termonucleare basato sulla configurazione magnetica tokamak e volto a dimostrare la possibilità di sfruttare l’energia da fusione per la generazione di elettricità. Il combustibile nucleare costituito da una miscela di deuterio e trizio, portato a temperature eccedenti i 150 milioni di gradi centigradi, è confinato in una camera di forma toroidale per mezzo di campi magnetici. Tra i sistemi usati per riscaldare il combustibile nucleare, l’iniezione di neutri riveste un ruolo fondamentale. Essa consiste nella iniezione di nuclei di deuterio ad alta energia (1 MeV) che scaldano il combustibile gassoso altamente ionizzato (denominato plasma) a seguito delle collisioni con lo stesso. In ITER sono previsti due iniettori di neutri (NBIs), ciascuno in grado di immettere nel plasma una potenza di 16,7 MW. Tali iniettori sono essenzialmente costituiti da una sorgente di ioni negativi di deuterio, un acceleratore elettrostatico dove un fascio di 40 A di tali ioni viene accelerato fino a raggiungere l’energia di 1 MeV e un neutralizzatore nel quale una parte del fascio viene convertita in particelle neutre ad alta energia che possono penetrare gli intensi campi magnetici usati per confinare il plasma: il sistema dovrà operare continuativamente per un’ora. Le prestazioni richieste per tali iniettori di neutri non sono mai state raggiunte fino ad ora simultaneamente in un unico esperimento e su tale scala. Si è reso pertanto necessario lo studio e lo sviluppo di un prototipo di iniettore, affidato al Consorzio RFX di Padova. Il progetto prevede lo studio e la realizzazione della sorgente di ioni dell’ITER NBI (SPIDER) e successivamente la costruzione del prototipo dell’intero iniettore (MITICA). La mia attività di ricerca, presentata in questa tesi, si inserisce in tale contesto e più in particolare è incentrata sullo studio del trasporto di particelle all’interno di acceleratori lineari finalizzato al calcolo della potenza termica depositata nelle griglie dell’acceleratore di MITICA e sullo sviluppo di una diagnostica tomografica per fasci di particelle. Un appropriato modello fisico, il più realistico possibile, dei fascetti di particelle che compongono il fascio di MITICA è fondamentale per l’analisi termo-meccanica e per il progetto meccanico dell’acceleratore. A tale scopo, sono state eseguite delle modifiche al codice di calcolo EAMCC usato per simulare i processi di creazione di cariche secondarie che generano notevoli carichi termici sulle griglie dell’acceleratore. La versione modificata del codice è stata utilizzata per lo studio del trasporto di cariche nell’acceleratore di MITICA e per il calcolo dei carichi termici, come illustrato nella prima parte della tesi. Inoltre, per la prima volta, l’intera sorgente chiamata NIO1 installata a RFX e costituita da nove fascetti di ioni negativi di idrogeno è stata simulata con EAMCC, considerando effetti fino ad ora non simulati, come l’interazione tra fascetti vicini, ed eliminando l’ipotesi semplificativa di campi elettrici assial-simmetrici. I risultati delle simulazioni su NIO1 verranno usati in futuro per la validazione sperimentale delle modifiche introdotte in EAMCC e sono sintetizzati sempre nella prima parte del presente lavoro di tesi. La seconda parte è invece dedicata alla tomografia del fascio che rappresenta una diagnostica importante per la misura del profilo di densità delle particelle e consente di valutare il grado di uniformità dello stesso, un requisito fondamentale per l’iniettore di neutri. In tale ambito è stato sviluppato un codice tomografico basato su diverse tecniche di ricostruzione algebriche, più indicate rispetto a tecniche basate sulla trasformata di Radon nel caso in cui il numero di rivelatori disponibile sia molto inferiore rispetto al numero di pixel del profilo ricostruito. Tale codice è stato testato su NIO1 e su MITICA con risultati promettenti. Non essendo disponibile alcuna misura sperimentale dell’emissione dei fasci di particelle, grazie alle modifiche introdotte in EAMCC è stato possibile calcolare il profilo di emissività di fotoni del fascio usato poi per il test del codice tomografico. E’ stato inoltre studiato il ruolo del rumore strumentale e il suo impatto sulle ricostruzioni tomograficche. Sono state considerate tecniche di filtraggio sia nel dominio delle frequenze spaziali sia in quello spaziale e in particolare, una tecnica usata per filtrare le immagini radar è stata adattata al caso tomografico e implementata nel codice dimostrando la possibilità di limitare fortemente l’effetto negativo del rumore sulla tomografia del fascio