Study of plasma-wall interaction by fast cameras and numerical models

La tesi presentata è il risultato di tre anni di ricerca nel settore della fusione nucleare a confinamento magnetico, che ha come obiettivo di dimostrare la possibilità di ottenere energia pulita dalla fusione di atomi leggeri. Uno dei problemi attuali in questo campo riguarda l'interazione tra il plasma e la parete del dispositivo che lo contiene. Infatti i carichi termici e i flussi di particelle che incidono sulla prima parete possono danneggiare la struttura della macchina e, d'altra parte, le particelle rilasciate dai materiali che si affacciano al plasma possono influire negativamente sulle prestazioni e sul raggiungimento stesso dell'obiettivo della fusione controllata. L'attività svolta durante il periodo del dottorato di ricerca si è concentrata sullo studio dell'interazione plasma-parete, focalizzandosi su tre argomenti principali. Il primo è stato uno studio numerico di configurazioni magnetiche avanzate per ridurre sia l'intensità che la densità del flusso di calore incidente sul divertore di FAST, un tokamak proposto come esperimento satellite di ITER. Successivamente l'attività è stata svolta su RFX-mod, un'esperimento situato a Padova di confinamento magnetico in configurazione Reversed-Field Pinch. Si è studiata sperimentalmente l'interazione del plasma con dei provini ricoperti di tungsteno per analizzare le proprietà di questo materiale e valu-tarne il possibile impiego per future modifiche dell'esperimento. Come ultima attività sono stati misurati i flussi termici nel bordo del plasma tramite l'inserimento di campioni di grafite in configurazione limiter, misurando la lunghezza di decadimento del calore per la prima volta in un RFP. Il lavoro è presentato come segue. Il Capitolo 1 dà un'introduzione generale ai plasmi da fusione, al confinamento magnetico e alle principali configurazioni toroidali studiate. Viene fatta una breve introduzione a RFX-mod insieme ad uno sguardo a ITER. Il Capitolo 2 fornisce un'introduzione all'argomento del bordo plasma, introducendo concetti che sono alla base del lavoro presentato di seguito, come le configurazioni di divertore e limiter. Sono anche introdotti fenomeni fisici come il riciclaggio e gli elettroni sopratermici. Il Capitolo 3 descrive le simulazioni numeriche fatte nel contesto di studi preliminari per il tokamak proposto FAST. Una configurazione quasi-snowflake è stata studiata e confrontata a una di divertore standard usando il codice EDGE2D/EIRENE. Il Capitolo 4 presenta misure sperimentali di proprietà superficiali di provini ricoperti di tungsteno e di pura grafite. L'attività è stata svolta a RFX-mod con una telecamera veloce nel visibile che ha misurato le interazioni con il plasma ed è stata svolta un'analisi comparativa. Il Capitolo 5 descrive l'indagine sulle proprietà del flusso di calore del bordo del plasma di un RFP attraverso l'inserimento di campioni di grafite in configurazione limiter nel plasma di RFX-mod. La temperatura misurata è stata convertita in flusso termico da due software che sono stati standardizzati. I flussi termici e la lunghezza di decadimento del calore misurata sono stati analizzati e correlati con i parametri di plasma. Le Conclusioni sono presentate nell'ultimo capitolo insieme ad una panoramica sui possibili sviluppi futuri.