Numerical and experimental characterization of beams of negative ions and investigation on strategies for beam efficiency improvements

L'attività di ricerca svolta durante i tre anni del dottorato in Fusion Science and Engineering si è concentrata sulle sorgenti di ioni negativi e in particolare sulle simulazioni numeriche dell’ottica del fascio, sulle misure sperimentali e sullo sviluppo di miglioramenti. In particolare, ho eseguito indagini sul plasma in sorgente e sull’estrazione del fascio, in diverse condizioni operative. Particolare attenzione è stata data al miglioramento dell’ottica del fascio, all’efficienza della soppressione degli elettroni co-estratti, così come all'analisi e allo sviluppo di nuove soluzioni. Ciò è stato fatto per mezzo di codici numerici come SLACCAD e OPERA, supportati da appositi script MATLAB per post-processing. Ho studiato le proprietà del fascio di tre sorgenti di ioni negativi: SPIDER e NIO1 presso il Consorzio RFX (Padova, Italia) e NITS presso il National Institute for Quantum and Radiological Science and Technology (QST, Naka, Giappone). SPIDER è il prototipo in scala reale della sorgente di ioni negativi per l’iniettore di fasci neutri previsto per ITER, che attualmente è in fase avanzata di montaggio. Non sono, quindi, possibili ulteriori miglioramenti progettuali. SPIDER è dotato di diverse peculiari soluzioni progettuali legate all’ottica del fascio e ho provveduto alla valutazione dell'efficacia di tali soluzioni. Ho preso parte agli esperimenti della collaborazione tra Consorzio RFX e QST sulla sorgente giapponese NITS. L'obiettivo di questa collaborazione è stato quello di dimostrare sperimentalmente, per la prima volta, l'efficacia di una configurazione di campo magnetico prevista per l’iniettore di neutri per ITER. Tale soluzione prevede l'uso dei cosiddetti magneti ADCM, per correggere la deflessione residua dei fasci indotti dai magneti dedicati a deviare gli elettroni co-estratti (CESM). In particolare, il mio contributo è stato quello di progettare la nuova griglia di estrazione e i nuovi magneti (sia CESM e ADCM) da installare nella nuova griglia. Ho anche collaborato all'analisi dei dati sperimentali. Infine, per la sorgente NIO1, ho partecipato alle sessioni sperimentali fin dal loro inizio, dando il mio contributo alla caratterizzazione spettroscopica della sorgente e alla caratterizzazione dell’ottica del fascio. Le osservazioni sperimentali hanno suggerito alcuni aggiornamenti necessari per il miglioramento dell’ottica di NIO1: la progettazione di una nuova griglia di estrazione e il dimensionamento di nuovi magneti. Inoltre, il successo della campagna sperimentale in NITS ha suggerito di introdurre gli ADCM anche in NIO1. Il lavoro di progettazione è stato eseguito in stretta collaborazione con i Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL, Legnaro, Italia). Purtroppo, però, questi aggiornamenti non saranno installati su NIO1 prima della primavera del 2017 e quindi nessuna conferma sperimentale che evidenzi i miglioramenti effettivi, sono disponibili al momento. Per quanto riguarda il presente lavoro di tesi, esso è costituito da cinque capitoli principali, seguiti da una conclusione finale. Segue ora una breve presentazione dei contenuti dei vari capitoli. Nel primo capitolo presento un’introduzione sulla Fusione e ITER, evidenziando la necessità dell'uso d’iniettori di neutri nelle future centrali a fusione e le questioni generali relative a MITICA, che è il prototipo a dimensioni reali dell’iniettore di neutri di ITER. Nel secondo capitolo vi è una descrizione generale delle considerazioni teoriche relative a: fisica del plasma in sorgente, estrazione del fascio e la sua ottica. La parte finale del capitolo è dedicata alla presentazione degli strumenti numerici disponibili presso il Consorzio RFX: SLACCAD, EAMCC, COMSOL e OPERA. Per quanto riguarda quest'ultimo, essendo lo strumento numerico più adoperato durante il mio dottorato, presento più in dettaglio le sue potenzialità, sostenute anche uno studio di sensibilità, al fine di aumentare la precisione di calcolo. Mentre i primi due capitoli hanno scopi essenzialmente introduttivi, gli ultimi tre presentano le attività da me effettivamente svolte sulle tre sorgenti di SPIDER, NITS e NIO1, come brevemente descritto finora. In particolare ciascuno dei tre capitoli è focalizzato sull'attività fatta su una delle macchine. Infine, due appendici relative a ulteriori attività, che sono connesse al resto solo in parte, completano questa tesi. Tali appendici trattano: lo sviluppo, in linguaggio Visual Basic, di un’interfaccia grafica per Excel per semplificare l'interazione con il database di NIO1 (Appendice A); lo studio dell’efficienza del sistema di recupero di energia degli ioni non neutralizzati, che sarà utilizzato su NIO1 in futuro, attività svolta in collaborazione con l'Istituto CNR di Bari (Appendice B).