Studies, analyses, available materials and technologies for plasma facing components - Applications and future improvements for negative Ion sources of neutral beam injectors

Uno degli aspetti più critici delle attuali macchine da fusione, e ancor di più di ITER e dei prototipi di reattore della prossima generazione, è l'affidabilità  dei materiali esposti al plasma unitamente alla loro resistenza a fatica e all'usura. Il problema ingegneristico da risolvere è una sfida e la ricerca nel campo dei materiali da prima parete richiede competenze multidisciplinari nel campo della termomeccanica e della termoidraulica, nonché la conoscenza di materiali in grado di resistere a cicli di fatica termica quando sottoposti per lungo tempo a forte irraggiamento, e quindi in presenza di fenomeni quali il creep e l'invecchiamento. La stima dell'usura richiede ulteriore conoscenza dell'interazione tra il plasma e i materiali di prima parete, e quindi dei processi di sputtering chimico e fisico. Tutti questi aspetti sono particolarmente importanti per i pannelli del divertore, ad esempio, ma lo sono anche per alcune parti delle sorgenti di ioni a radiofrequenza degli iniettori di neutri (NBI) che sono soggette a picchi di densità  di potenza estremamente elevati e localizzati. Le attività  di ricerca del candidato sono state dedicate in particolare a questi aspetti relativi alla sorgente a radiofrequenza (RF) e ai suoi "driver back-plates" (pareti di contenimento del plasma all'interno della sorgente), considerando lo stato dell'arte e lo sviluppo futuro di materiali per il divertore di ITER e DEMO. L'ottimizzazione del progetto, i modelli numerici, le analisi e il miglioramento di alcuni aspetti tecnologici del progetto dei componenti della sorgente RF, tramite le attività  di ricerca e sviluppo effettuate, sono stati gli obiettivi primari del lavoro di dottorato (PhD). La maggior parte delle attività  di R&D sono state svolte interagendo e collaborando pesantemente con altri laboratori europei e con ditte private. Sono stati infatti realizzati dei campioni mediante le tecniche di "explosion bonding" e "plasma spraying", presso ditte private, con lo scopo di verificare la possibilità  di "depositare" uno strato di molibdeno su un substrato di rame. Questi diversi campioni sono stati quindi testati con lo scopo di valutare la compatibilità  con il vuoto del materiale depositato e la qualità  dell'interfaccia tra i due materiali; alla fine, il processo denominato "explosion bonding" si è rivelato il più promettente. Si sono quindi realizzati nuovi prototipi aventi uno strato di molibdeno esploso su una piastra di rame, tenendo conto dei parametri di esplosione precedentemente identificati che offrivano le migliori prestazioni. Dai prototipi di piastra realizzati sono stati ricavati alcuni provini. Tali provini sono stati testati a shock termico e fatica termica, sottoponendoli a condizioni di carico simili a quelle stimate per la sorgente RF e per i suoi back plates durante i futuri impulsi dell'iniettore di neutri. Successivamente ai test di fatica, i provini sono stati analizzati al microscopio, con la tecnica XRD (X-ray Diffraction) e con il profilometro per verificare lo stato del materiale e dell'interfaccia in condizioni "post mortem". Il lavoro presentato sta attualmente continuando verso la completa definizione dei passi necessari per la costruzione del prototipo in scala reale del "Plasma Driver Plate" e la qualificazione della tecnologia di "explosion bonding" quale processo da sottomettere all'approvazione di ITER (ITER Organization - IO) per applicazioni di fusione nucleare.