Design, manufacturing and operation of plasma-facing component conditioning systems in fusion devices

This work illustrates the study and design of a novel fixed electrode system for Glow Discharge Cleaning of RFX-mod2, detailing the design evolution and presenting the thermal and mechanical outcomes of the final design. To integrate the components within the RFX-mod2, the risk of overheating the PSS support torlon is examined. The refurbishment of the RFX first-wall conditioning system includes the repair and verification of the functionality, insulation, and vacuum integrity of the moving electrodes from the previous system, which was operational until 2016. The investigation conducted to characterize the plasma generated by these electrodes exposed specific design flaws. To initiate the definition of the system's operational parameters, characterization results are presented for plasmas generated by graphite electrodes in a helium atmosphere and at pressures comparable to those during operation. Additionally, the design and development of the DTT fixed electrode system, utilized for glow discharge cleaning and boronization procedures after extended shutdowns, were monitored. This illustrates the progression of proposed designs, ranging from initial concepts viewing it as a first-wall component, to experimental designs featuring the electrode as a system with significant thermal inertia, culminating in the most recent designs that incorporate the component within port 4 of the machine. The thermo-mechanical outcomes of these are presented. In the final case, given that the system is classified as an OFW component, a CFX analysis is conducted to ensure that the cooling fluid remains within non-critical conditions and that system losses are below the design specifications. This is subsequently followed by a thermal analysis exclusively, as the cooling solution involving ceramic breaks within the cryostat has yet to receive approval for application in DTT.

Questo lavoro illustra lo studio e la progettazione di un nuovo sistema a elettrodi fissi per la pulizia con scariche a bagliore di RFX mod2, illustrando l'evoluzione del progetto e presentando i risultati termici e meccanici del progetto finale. Per integrare i componenti all'interno dell'RFX mod2, viene esaminato il rischio di surriscaldamento del torlon di supporto del PSS. La ristrutturazione del sistema di condizionamento della prima parete dell'RFX comprende la riparazione e la verifica della funzionalità, dell'isolamento e dell'integrità del vuoto degli elettrodi mobili del sistema precedente, che è stato operativo fino al 2016. L'indagine condotta per caratterizzare il plasma generato da questi elettrodi ha evidenziato specifici difetti di progettazione. Per avviare la definizione dei parametri operativi del sistema, vengono presentati i risultati della caratterizzazione dei plasmi generati dagli elettrodi di grafite in atmosfera di elio e a pressioni paragonabili a quelle di esercizio. Inoltre, sono stati monitorati la progettazione e lo sviluppo del sistema di elettrodi fissi DTT, utilizzato per le procedure di pulizia delle scariche a bagliore e di boronizzazione dopo arresti prolungati. Ciò illustra la progressione dei progetti proposti, che vanno dai concetti iniziali che vedono l'elettrodo come un componente della prima parete, ai progetti sperimentali che presentano l'elettrodo come un sistema con una significativa inerzia termica, fino ai progetti più recenti che incorporano il componente all'interno della porta 4 della macchina. Vengono presentati i risultati termomeccanici di questi progetti. Nel caso finale, dato che il sistema è classificato come componente OFW, viene condotta un'analisi CFX per garantire che il fluido di raffreddamento rimanga in condizioni non critiche e che le perdite del sistema siano inferiori alle specifiche di progetto. A questa segue un'analisi esclusivamente termica, poiché la soluzione di raffreddamento che prevede interruzioni ceramiche all'interno del criostato non ha ancora ricevuto l'approvazione per l'applicazione nel DTT.