POWER EXHAUST DATA ANALYSIS AND MODELING OF ADVANCED DIVERTOR CONFIGURATIONS

La possibilitá di poter sfruttare l’energia da fusione in modo affidabile, sicuro and con alta disponibilitá é una delle piú grandi sfide della ricerca mondiale. Plasmi ad altissima temperatura confinati magneticamente sono necessari per raggiungere alti tassi di reazioni di fusione. Tuttavia queste condizioni non sono compatibili con i materiali affacciati sul plasma. Al fine di proteggere la parete, viene creato un regione molto calda confinata mentre la maggior parte della potenza e delle particelle sono essenzialmente smaltite in uno specifico componente del reattore, il cosiddetto ’divertore’. L’attivitá di ricerca del dottorato presentato in questa tesi é stata fatta all’interno del programma EUROfusion per la realizzazione di un reattore dimostrativo (DEMO) entro il 2050. Uno degli aspetti piú critici é stato individuato nello smaltimento di alte potenze che possono danneggiare irreparabilmente i componenti affacciati al plasma (PFC). Quindi, l’analisi delle condizioni di plasma nella regione del divertore é essenziale per valutare l’affidabilitá e la fattibilitá dei reattori a fusione. Al fine di mitigare il problema dello smaltimento della potenza la comunitá fusionistica sta attualmente studiando diverse soluzioni possibili come l’uso di configurazioni magnetiche alternative nel divertore (AC) o l’uso di metalli liquidi come PFC. Questa tesi si concentra sullo studio dello Scrape off Layer (SOL), la regione dove le particelle che escono dal nucleo caldo sono dirottate verso i piatti del divertore. La modellazione numerica viene effettuata con codici di bordo bidimensionali su macchine future ed esistenti. Il primo punto nell’analisi consiste nella valutazione delle condizioni del plasma di bordo in DEMO considerando alcune ipotesi semplificative e un insieme di parametri di riferimento. Uno studio esplorativo viene fatto per valutare il comportamento del plasma nel SOL variando la densitá e i coefficienti di trasporto. Le simulazioni numeriche sono state fatte con il codice EDGE2D-EIRENE. I risultati predicono condizioni nel divertore totalmente inaccetabili dal punto di vista operazionale. Abbiamo soprattutto effettuato un benchmark tra EDGE2D-EIRENE e TECXY dato che i codici piú utilizzati e verificati attualmente disponibili nella comunitá fusionistica non sono in grado di trattare le AC. TECXY é un codice semplice e veloce in grado di gestire le AC. Nonostante le differenze nei modelli fisici utilizzati nei due codici, i risultati mostrano un buon accordo, in particolare in termini di carichi termici sui piatti del divertore e trend generali delle quantitá globali. D’altro canto discrepanze sono osservate nei profili della temperature e densitá elettronica sul divertore esterno principalmente dovute ai diversi modelli numerici adottati per la descrizione delle particelle neutre. Il secondo punto nell’analisi riguarda le AC fatta comparando una configurazione magnetica a singolo nullo (SN) convenzionale con un quasi Snowflake (QSF, caratterizzato da una transizione da una configurazione Snowflake ad una X-divertor) del reattore DTT (Divertor Test Tokamak). La modellizzazione é fatta con EDGE2DEIRENE. Lo studio preliminare effettuato variando la densitá a monte si propone di indagare tre aspetti principali: l’effetto sul raggiungimento del detachment, l’effetto sui carichi termici e l’effetto sul comportamento dei neutri. Le simulazioni mostrano che la configurazione QSF é piú incline a raggiungere il detachment rispetto al caso SN. Inoltre, mentre nel caso SN sono predetti carichi termici inaccetabili sui piatti esterni, in QSF sono ottenuti valori gestibili di picchi di potenza. Questa differenza risiede principalmente in fattori geometrici ed in particolare il fattore primario é riconducibile all’allargamento delle superfici di flusso nella regione del divertore. Analizzando il comportamento dei neutri si osserva un miglior confinamento in QSF che in SN dato che il fronte di ionizzazione non riesce a risalire verso il punto ad X. Un’analisi preliminare di un divertore a litio liquido é anche discussa. Leggere differenze sono osservate confrontando il divertore a litio liquido e quello convenzionale in tungsteno in quanto vengono simulati regimi dominati dallo sputtering. L’ultimo punto nell’attivitá di ricerca riguarda l’utilizzo di un diverso codice di bordo, SOLEDGE2D-EIRENE. Grazie all’alta flessibilitá, questo codice é in grado di trattare le AC. Vengono discussi i risultati preliminari della fase di convalida effettuata confrontando i risultati numerici con quelli sperimentali. Mentre i profili a monte sono discretamente riprodotti variando i coefficienti di diffusione, le quantitá a valle mostrano discrepanze in termini di densitá e temperature elettroniche. D’altro canto il profilo di potenza é parzialmente riprodotto. I risultati sono successivamente comparati in termini di distribuzione della radiazione. Il codice riesce a riprodurre la distribuzione 2D nella parte ad alto campo anche se differenze sul baffle interno sono presenti. Infine mostriamo che miglioramenti possono essere ottenuti definendo in modo adatto il coefficiente di riciclo.