Investigation of the parameters of a particle beam by numerical models and diagnostic calorimetry

Al fine di fornire riscaldamento addizionale e indurre una corrente in plasmi termonucleari confinati magneticamente è possibile utilizzare fasci di particelle neutre. In particolare il design di ITER, l’esperimento internazionale sulla fusione nucleare attualmente in costruzione a Cadarache (Francia), prevede due iniettori di particelle neutre (NBI) in grado di fornire 16.5 MW ciascuno. Affinché il fascio possa penetrare efficacemente nel plasma di ITER, la sua energia deve essere nell’ordine di 1 MeV e questo esclude l’opzione di accelerare ioni positivi, la cui efficienza di neutralizzazione si riduce drasticamente per energie superiori a 100 keV. La generazione e accelerazione di 40 A di ioni negativi di deuterio fino a 1 MeV d’altronde, presenta ancora molti punti aperti sia dal punto di vista della fisica che da quello ingegneristico per affrontare i quali la test facility PRIMA è attualmente in fase di realizzazione a Padova presso il Consorzio RFX. PRIMA è suddivisa in due test facility: MITICA, il prototipo di iniettore per ITER, e SPIDER, il prototipo della sorgente di ioni dedicato all’ottimizzazione delle sue performance. Al fine di meglio comprendere i fenomeni che accadono all’interno della sorgente e la fisica dell’estrazione, SPIDER è dotato di diverse diagnostiche. All’interno di questo contesto, questa tesi è dedicata alla caratterizzazione di un fascio di ioni negativi mediante una di queste diagnostiche, il calorimetro STRIKE, e l’applicazione di diversi codici di simulazione per interpretare le condizioni sperimentali. I contenuti dei diversi capitoli sono elencati brevemente di seguito. Nel Capitolo 1 viene introdotto il confinamento magnetico di plasmi termonucleari e si discutono le prestazioni che devono esser raggiunte da un reattore a fusione per produrre energia con una ragionevole efficienza. In questo contesto viene presentato il progetto ITER e viene giustificata la necessità di sistemi di riscaldamento addizionale come onde a radio frequenza o fasci di particelle neutre. Infine viene presentato un design concettuale di un NBI, definendone i componenti principali. Il Capitolo 2 si concentra con maggiore dettaglio su due di questi componenti: la sorgente di ioni e l’acceleratore elettrostatico. In particolare viene descritto il prototipo di sorgente a radio-frequenza e le principali proprietà dell’ottica del fascio. In seguito viene presentata l’attività di modellistica introducendo il codice agli elementi finiti di particle-tracing OPERA e il codice Monte Carlo di particle-tracing EAMCC3D. Infine vengono descritte le due test facility di particolare interesse per questa tesi: il prototipo SPIDER e l’esperimento NIO1 (Negative Ion Optimization 1), in cui è installata una versione ridotta del calorimetro STRIKE. L’attività riguardante il calorimetro diagnostico STRIKE è descritta nel Capitolo 3, in cui sono descritti sia le caratteristiche del carico termico dovuto al fascio di SPIDER che l’insieme di segnali complementari raccolti dal calorimetro STRIKE. Una lunga sezione è dedicata ai prototipi dei sensori di STRIKE, descrivendo l’attività modellistica, i test effettuati sulla loro capacità diagnostica e sulla loro resistenza a carichi termici paragonabili a quelli di SPIDER. Infine, vengono descritti gli strumenti utilizzati per analizzare i dati raccolti con la versione in scala ridotta di STRIKE, il calorimetro mini STRIKE, in diversi esperimenti. Il Capitolo 4 descrive l’applicazione dei codici OPERA ed EAMCC3D per simulare le caratteristiche del fascio di ioni di NIO1. Nel Capitolo 5 i risultati di questi modelli sono confrontati con i dati sperimentali nel caso del calorimetro diagnostico di NIO1, mostrando come un approccio combinato possa favorire l’interpretazione e la comprensione del comportamento dell’acceleratore. Infine i risultati principali e i possibili sviluppi futuri in merito alla sinergia tra calorimetria e modellistica in vista dell’operazione di SPIDER sono discussi nel Capitolo 6.