Phenomenology of plasma-wall interaction using liquid metals in tokamak devices

Nel lavoro di tesi vengono presentati i risultati degli studi e degli sperimenti sull’utilizzo di metallo liquido in macchine tipo tokamak. La maggior parte del lavoro sperimentale è stato svolto su FTU presso i laboratori ENEA di Frascati. L’evoluzione dei carichi termici, un’analisi della contaminazione del plasma dalle impurezze prodotte dai metalli liquidi ed uno studio delle tipiche variazione dei parametri di bordo sono al centro dell’elaborato. Due diversi limiter sono stati installati sul tokamak FTU: il Cooled Lithium limitered ed il Liquid Tin Limiter. FTU è stato il primo tokamak al mondo, e fin’ora unico, ad operare con un limiter di stagno liquido. I risultati riportati e discussi nella tesi, sono corroborati da dati sperimentali e confrontati con codici di simulazione. Al lettore viene presentata una comparazione nell’utilizzo dei due diversi elementi in un tokamak. Un modello radiativo è stato proposto per spiegare le oscillazioni di temperatura misurate durante gli esperimenti. Una parte del lavoro di dottorato si è soffermata sullo studio delle tipiche diagnostiche devote alla misura dei parametri di bordo: diverse sonde di Langmuir sono state disegnate e realizzate per gli esperimenti in FTU ed in altri dispositivi. Nell’elaborato si riporta il contributo alla realizzazione di un laboratorio dedicato allo studio sul metallo liquido. La finalità è quella di poter meglio comprendere e studiare le proprietà dei metalli di interesse fusionistico, quali litio, gallio e stagno, in termini di bagnabilità, corrosione e caratteristiche chimico-fisiche. Un forno da alto vuoto è stato realizzato per permettere questi studi e la prima fase di test si è conclusa con successo. Per velocizzare e semplificare la procedura bagnamento delle spugne di tungsteno è stata utilizzata una piccola camera da vuoto in grado di arrivare a 1500°C circa. Il bagnamento di strutture CPS è stato ottenuto sia con il gallio che con lo stagno liquido, ed i parametri più importanti del processo sono stati identificati. Nell’elaborato si propone una possibile soluzione al problema della corrosione da parte dello stagno. Infatti, è stato studiato un rivestimento di tungsteno per i materiali di supporto che saranno a contatto con i metalli liquidi al fine di prevenirne la corrosione. Lo studio condotto insieme all’università ”La Sapienza” ed al centro ENEA di Brasimone, ha portato alla realizzazione di un robusto, denso e coeso rivestimento di tungsteno mediante la tecnica conosciuta come Detonation Gun. Attualmente è in corso la richesta per un brevetto di processo. La ritenzione di deuterio è stata misurata su vari campioni di stagno liquido esposti al plasma di GyM. Nel trattato si sottolinea l’importanza di queste misure nella necessità di estrapolare dei dati utili ai fini progettuali di un divertore di metallo liquido per un futuro reattore. Negli ultimi mesi del dottorato è stato svolto un lavoro sul tokamak ISTTOK di Lisbona, nella tesi si riportano i risultati ottenuti dall’analisi dei carichi termici sul campione di stagno esposto, proponendo ulteriori sviluppi per gli esperimenti futuri. Per finire, si riassume un lavoro sviluppato in collaborazione con l’INFN di Frascati ed il CERN di Ginevra, riguardo la possibilità di utilizzare litio liquido come targhetta per un acceleratore di particelle. Il progetto di un acceleratore a muoni è limitato al momento dalle modalità di produzione degli stessi. I materiali convenzionali si sono dimostrati incapaci di sopportare densità di potenza come quelle necessarie per il progetto LEMMA. La proposta del target liquido è argomentata e sviluppata nell’elaborato, un lavoro preliminare di R & D è proposto.