Studies and analyses for the design of an electrostatic accelerator for the ITER Neutral Beam Injector

Il riscaldamento mediante fasci di neutri è considerato uno dei più efficaci metodi di riscaldamento e sostentamento della corrente nei plasmi fusionistici di molti esperimenti mondiali. Il concetto è semplice: gli atomi neutri possono penetrare il campo magnetico, mediante collisioni con le particelle cariche, è possibile riscaldare il plasma e sostenerne la corrente. ITER, il primo reattore sperimentale in fase di costruzione a Cadarache, sarà equipaggiato con due iniettori di neutri; ciascuno di essi sarà in grado di trasferire all’interno del plasma di ITER fino a 16.5 MW di potenza mediante l’accelerazione di ioni negativi di idrogeno o deuterio fino ad energie di 1MeV. Questa Tesi tratta il progetto di dispositivi inerenti la tenuta delle alte tensioni in vuoto per l’acceleratore elettrostatico dell’iniettore di neutri per ITER. In particolare, la Tesi si focalizza sulle problematiche legate alla modellistica dei fasci di particelle carichi, sui problemi legati all’isolamento delle alte tensioni in vuoto e sulle analisi strutturali relative ai materiali fragili per gli isolatori ceramici. Infine, un sistema attivo per la deflessione delle particelle cariche verrà presentato e discusso assieme agli aspetti tecnologici che lo riguardano. Una panoramica dei principi fisici che governano le sorgenti a ioni negativi è fornita nel Capitolo 1 evidenziando la necessità di produrre un fascio di neutri ad alta energia e potenza. L’acceleratore elettrostatico, disposto a valle della sorgente, incrementa l’energia degli ioni negativi fino ad 1MV: il Capitolo 2 discute i principali criteri progettuali sottolineando l’interconnessione tra problemi fisici ed ingegneristici. Il Capitolo 3 riporta le verifiche strutturali svolte sugli anelli isolatori di grandi dimensioni in materiale ceramico; in particolare verranno presentate le attività di ricerca e sviluppo riguardanti la fabbricazione degli isolatori di allumina per il passante multistadio dell’iniettore di neutri. Inoltre si è sviluppata una metodologia per calcolare la probabilità di rottura durante il processo di fabbricazione di tali isolatori. Il Capitolo 4 spiega i risultati riguardanti le simulazioni del fascio di ioni negativi, un codice Monte Carlo è stato applicato per confrontare i risultati sperimentali, ottenuti da un acceleratore giapponese, con quanto stimato dai modelli numerici; inoltre sarà presentato nello stesso capitolo un nuovo codice in grado di calcolare la divergenza del fascio di ioni negativi considerando il problema della carica spaziale. Infine il Capitolo 5 presenta uno studio concettuale di un dispositivo che è in grado di filtrare gli elettroni dal fascio di ioni negativi e contemporaneamente curvare leggermente la traiettoria di quest’ultimi (EDSS). Due possibili alternative si sono studiate; per una di esse si è sviluppata, ed applicata, una routine ANSYS per il calcolo del flusso di potenza depositato sulle superfici materiali del EDSS mediante un approccio deterministico. Lo studio del EDSS può essere considerato l’ultimo passo di un viaggio virtuale all’interno dell’acceleratore elettrostatico dell’iniettore di neutri in cui l’energia elettrica viene convertita in energia cinetica di un flusso di particelle cariche.