Simulation, design and tests of a diagnostic calorimeter for the spider experiment

Uno degli aspetti più critici dei reattori a fusione, che verrà studiato in ITER (prototipo che dovrà provare la fattibilità di questa tecnica di produzione dell’energia elettrica), è la generazione di energia sufficiente sia all’autosostentamento della reazione di fusione sia all’immissione nella rete elettrica di trasmissione. Non essendo sufficiente per il funzionamento in condizioni di fusione il riscaldamento ohmico, prodotto dalla corrente che fluisce nel plasma, è necessario utilizzare delle tecniche di riscaldamento addizionali. Una delle vie che saranno valutate in ITER è l’ulteriore riscaldamento del plasma ottenuto tramite l’iniezione di un fascio di particelle neutre nel plasma centrale. Al Consorzio RFX, nell’area di ricerca del C.N.R. di Padova, si sta procedendo con l’ultimazione della progettazione e l’avvio dei lavori di costruzione del progetto PRIMA-MITICA-SPIDER, che comprende due esperimenti: MITICA è il prototipo in scala reale dell’iniettore di ITER mentre SPIDER, che sarà in esercizio prima di MITICA, è realizzato con l’obiettivo di ottimizzare il funzionamento della sorgente di ioni negativi che costituiscono il fascio. Allo scopo, è fondamentale una conoscenza accurata dei parametri del plasma internamente alla sorgente e del fascio, ottenuta tramite i vari sistemi diagnostici previsti in SPIDER, tra i quali il calorimetro diagnostico STRIKE, argomento del presente lavoro di dottorato. Durante la tesi si sono definiti i requisiti del calorimetro e se ne è concluso il progetto. Si sono verificate, progettando e realizzando appositi prototipi, alcune soluzioni costruttive. Si sono acquistati da produttori diversi alcuni prototipi di CFC 1D, elemento principale che costituisce il calorimetro, un materiale in fibra di carbonio unidirezionale su matrice di carbonio, per caratterizzarne le proprietà termiche mediante riscaldamento con laser di potenza e nell’esperimento GLADIS presso l’IPP di Garching (Germania), con fascio di particelle di alta intensità. Si è anche realizzato un prototipo del sistema completo, inclusa la telecamera termica, che è stato utilizzato nell’esperimento BATMAN presso l’IPP di Garching (Germania), con lo scopo di valutarne il funzionamento in condizioni simili a quelle di SPIDER. Sia la fase di progettazione che quella di test sono state accompagnate da simulazioni numeriche agli elementi finiti, di tipo elettrostatico e termico transitorio non lineare. Inoltre, si è seguita anche la parte di pianificazione e documentazione relativa al progetto del calorimetro. Nella collaborazione tra Consorzio RFX and INFN-LNL, si sta sviluppando un’ulteriore sorgente di ioni negativi: NIO1, che a breve entrerà in operazione. La particolarità di questa sorgente è di essere piccola e flessibile. In questa tesi saranno inoltre presentati i risultati preliminari sulla valutazione dell’utilizzo di campioni di CFC per la caratterizzazione anche del fascio di NIO1. Il lavoro di tesi si conclude pronunciandosi positivamente sulla validità dell’utilizzo di STRIKE per studiare approfonditamente le caratteristiche del fascio di SPIDER e valutarne la corrispondenza ai requisiti richiesti da ITER