Beam emission spectroscopy studies in a H-/D- beam injector

La disponibilità limitata delle attuali risorse energetiche e i cambiamenti climatici indotti dall’aumento della concentrazione di CO2 nell’atmosfera impongono all’umanità di ripensare completamente i modi di produrre e consumare energia. Nel lungo termine, un contributo importante alla soluzione del problema energetico mondiale potrebbe arrivare dalla fusione nucleare: le materie prime, deuterio e litio, sono accessibili in tutto il globo e in quantità sufficiente per alimentare i futuri reattori a fusione per diversi secoli. Il più grande esperimento a livello mondiale sulla fusione è ITER, in fase di costruzione in Francia. ITER è progettato per produrre dalla fusione fino a 500MW, 10 volte la potenza in ingresso. Inoltre, ITER sarà il primo esperimento a operare permanentemente con plasmi di deuterio e trizio, quindi conterrà materiale radioattivo (il trizio) e dovrà sopportare l’irraggiamento neutronico prodotto dalla fusione nucleare. Per raggiungere le prestazioni volute serviranno varie forme di riscaldamento addizionale, in modo da portare la temperatura centrale del plasma a 10 15 keV. Uno dei sistemi di riscaldamento più importanti sarà costituito da 2 iniettori di neutri (NBI), che producono fasci da 16.7 MW composti da particelle neutre (H/D). Per ottenere i fasci ioni H-/D-, prodotti da un’apposita sorgente, verranno accelerati ad energie elevate (870 keV per l’idrogeno, 1 MeV per il deuterio) e successivamente neutralizzati grazie alle reazioni di scambio carica con le molecole di un gas di idrogeno/deuterio. Costruire un sistema simile è un’operazione complessa, per questo 2 prototipi saranno costruiti e testati a Padova presso il Consorzio RFX. Il primo, SPIDER (Source for the Production of Ions o Deuterium Extracted from an Rf plasma), che sarà operativo dal 2016, verrà utilizzato per studiare la produzione e accelerazione (fino a 100 keV) degli ioni negativi. Il secondo sarà il prototipo di un intero iniettore di neutri per ITER, MITICA(Megavolt ITer Injector Concept and Advancement), che entrerà in funzione nel 2019. Sia SPIDER che MITICA saranno dotati di un gran numero di diagnostiche: in particolare, la Beam Emission Spectroscopy (BES) misurerà lo spettro della radiazione prodotta dall’interazione tra fascio e gas di fondo, con lo scopo di misurare la divergenza e l’uniformità del fascio prodotto dalla sorgente di ioni. La divergenza è un parametro chiave per la sicurezza degli impianti, poichè è legata alla potenza depositata dal fascio sulle strutture degli esperimenti. L’uniformità del fascio è cruciale per l’efficacia del fascio stesso nel riscaldamento del plasma. L’attività di dottorato è stata dedicata in gran parte a sviluppare le diagnostiche BES di SPIDER e MITICA, con l’obiettivo di misurare la divergenza nell’intervallo 3 7 mrad (e-folding) con un errore relativo sotto il 10%, e valori di uniformità nell’intervallo 90 100%. In particolare, il lavoro è consistito nel: • sviluppare un set di codici (dBES) per la simulazione del comportamento della diagnostica BES; • studiare e migliorare i metodi di analisi dei dati che saranno raccolti dalla BES; • completare il design della diagnostica, anche individuando e testando la sua componentistica hardware; Le misure raccolte negli impianti sperimentali BATMAN(BAvarian Test MAchine for Negative ions), MANITU (Multi Ampere Negative Ion Test Unit) ed ELISE (Extraction from a Large Ion Source Experiment) al Max Planck Institut für Plasmaphysik (IPP) a Garching, sono state utilizzate per validare il modello numerico alla base di dBES a per migliorare il metodo di analisi degli spettri BES. Durante le visite al gruppo ITED di IPP Garching i risultati di dBES sono stati confrontati con quelli del codice BBC-NI, sviluppato a IPP per scopi analoghi. Oltre che su SPIDER e MITICA gli studi si sono concentrati anche su NIO1 (Negative Ion Optimization 1), dotato di una sorgente RF che produce un fascio di 130 mA composto da ioni H. L’esperimento è frutto di una collaborazione tra Consorzio RFX e INFN-LNL, con lo scopo di studiare e migliorare la produzione di ioni negativi, nonchè di testare la strumentazione per SPIDER e MITICA. Per NIO1 è stata interamente progettata la diagnostica BES; i test su NIO1 di questa diagnostica permetteranno una prima verifica sperimentale del design delle diagnostiche analoghe per SPIDER e MITICA. Il lavoro di dottorato è descritto nella tesi come segue: • Il capitolo 1 fornisce una breve descrizione del reattore ITER. Viene poi illustrato il principio di funzionamento degli iniettori di neutri, nonchè le caratteristiche dei esperimenti presi in considerazione: SPIDER e MITICA, BATMAN, MANITU, ELISE e NIO1. Vengono inoltre presentate le principali diagnostiche installate nelle sorgenti di ioni negativi e più in generale negli iniettori di neutri. • Il capitolo 2 descrive il lavoro svolto sui codici di simulazione per la Beam Emission Spectroscopy. Vengono illustrati i fenomeni fisici alla base del funzionamento della diagnostica. Viene successivamente presentato il codice dBES, sviluppato per la simulazione della diagnostica BES e per l’analisi dei dati raccolti dalla diagnostica stessa. Segue la verifica delle simulazioni di dBES con i risultati del codice BBC-NI e con i dati delle diagnostiche BES negli esperimenti BATMAN, MANITU ed ELISE. • Il capitolo 3 presenta il design delle diagnostiche BES per gli esperimenti NIO, SPIDER e MITICA, realizzato con il supporto del codice dBES. • Il capitolo 4 presenta le attività sperimentali svolte per caratterizzare la strumentazione disponibile per le diagnostiche BES e optical emission spectroscopy in NIO1, SPIDER e MITICA; viene illustrata anche la progettazione di alcune componenti delle diagnostiche. • Nel capitolo 5 vengono sintetizzati e discussi i risultati presentati nella tesi. Seguono infine la lista degli articoli pubblicati e delle note tecniche scritte durante il dottorato