Ion beam sources for neutral beam injectors: studies and design for component active cooling and caesium ovens

Gli iniettori di fasci di neutri, Neutral Beam Injectors (NBI), per ITER devono operare a livelli di energia delle particelle, potenze di riscaldamento e condizioni stazionarie di funzionamento mai ottenuti simultanemente in altri esperimenti sulla fusione. Inoltre, l’efficienza, la disponibilità e l’affidabilità del NBI richiesto per un reattore a fusione sono questioni critiche che richiedono un progeto accurato e robusto. Nei fasci di neutri ad alta energia sono utilizzati ioni negativi per la maggior efficienza del loro processo di neutralizzazione rispetto a quello di ioni positivi. Ricerche hanno dimostrato che il tasso di produzione di ioni negativi è altamente incrementato dalla presenza di cesio che agisce da catalizzatore. Pertanto, all’interno della sorgente di plasma vengono iniettati vapori di cesio per mezzo di speciali evaporatori chiamati forni del cesio (caesium ovens). Il presente lavoro di ricerca, i cui risultati sono argomento di questa tesi, è stato condotto nell’ambito delle attività di progetto per il prototipo della sorgente di ioni negativi per ITER, chiamata SPIDER, che sarà costruita e messa in funzione al Consorzio RFX, Associazione Euratom-ENEA. In particolare, il lavoro è stato focalizzato su quei componenti della sorgente di ioni negativi che sono caratterizzati da raffreddamento continuo per garantirne la rimozione del calore e il controllo della temperatura. Conformemente al progetto di dottorato, questo lavoro è stato sviluppato nelle seguenti fasi. Prototipi dei canali di raffreddamento delle griglie di accelerazione sono stati prodotti con successo e le principali problematiche di costruzione sono state risolte. In particolare, durante la produzione si sono affrontati i problemi relativi alle tecniche di giunzione tra metalli eterogenei e all’inglobamento di termocoppie per il monitoraggio termico dei componenti. Un impianto specifico per misure termoidrauliche, chiamato Insulation and Cooling Experiment (ICE), è stato progettato, costruito e utilizzato per eseguire prove sui prototipi dei canali di raffreddamento delle griglie, al fine di misurarne le perdite di carico e i coefficienti di scambio termico, in supporto all’attività di progetto dell’acceleratore di SPIDER. I risultati sperimentali ottenuti sono stati confrontati sia con quelli di modelli analitici che con quelli di modelli numerici fluidodinamici (CFD), dimostrando che i primi sottostimano le capacità di rimozione del calore dei canali di raffreddamento, mentre gli utimi sono molto più vicini ai risultati sperimentali. Infine, il confinamento in vuoto dell’intera sorgente del fascio ha richiesto una completa riprogettazione dei forni del cesio, rispetto a quelli esistenti. Il progetto dell’evaporatore del cesio e del sistema di iniezione è stato condotto anche con il supporto di analisi termiche e meccaniche agli elementi finiti. E’ stato presentato inoltre un sistema per efettuare la misura di livello del cesio e ne è stata data una prova di fattibilità.