Studies and experimental activities to qualify the behaviour of RF power circuits for Negative Ion Sources of Neutral Beam Injectors for ITER and fusion experiments

Il reattore sperimentale ITER, il più grande esperimento nel settore della produzione di energia da fusione nucleare, richiede di essere equipaggiato con due sistemi d’iniezione di fasci di particelle neutre (chiamato ITER NBI nel seguito), caratterizzati da una potenza complessiva di 33 MW, per contribuire al riscaldamento del plasma e controllo della relativa corrente. ITER NBI comprende una sorgente di ioni negativi che può produrre un fascio di ioni di deuterio accelerati all’energia di 1 MeV, per una durata di 3600 s. L’insieme dei requisiti richiesti ad ITER NBI non sono mai stati raggiunti contemporaneamente nello stesso esperimento. Ciò ha motivato lo sviluppo di un’infrastruttura sperimentale: “the ITER Neutral Beam Test Facility (NBTF)”, chiamata anche PRIMA (Padova Research on ITER Megavolt Accelerator), che ha lo scopo di portare avanti un progetto di ricerca internazionale finalizzato alla dimostrazione della possibilità di raggiungere i requisiti specificati per ITER NBI e alla crescita di conoscenza e competenza nella sperimentazione, prima dell’uso futuro in ITER NBTF ospiterà due esperimenti: SPIDER (Source for the Production of Ions of Deuterium Extracted from an RF plasma), il prototipo a piena scala della sorgente a ioni negativi di ITER NBI, e MITICA (Megavolt ITER Injector and Concept Advancement), il prototipo a piena scala dell’intero ITER NBI. NBTF è stata completata ed ha sede a Padova, in Italia; MITICA è attualmente in costruzione e SPIDER è in operazione dall’inizio di giugno 2018. La sorgente di ioni scelta inizialmente per ITER NBI era del tipo ad arco, ma dal 2007 il progetto dell’NBI è stato sviluppato considerando sorgenti di ioni prodotti in un plasma generato secondo il principio dell’accoppiamento induttivo a radiofrequenza (RF). Queste sorgenti presentano diversi vantaggi rispetto alle sorgenti ad arco: hanno un numero minore di componenti e richiedono minor manutenzione. Le sorgenti RF di ITER NBI operano alla frequenza di 1 MHz, sono caratterizzate da una densità di potenza piuttosto elevata e basso valore di pressione del gas all’interno della camera (0,3 Pa circa). Queste tipologie di sorgenti ioniche sono state studiate e sviluppate negli ultimi decenni presso il Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), dove sono stati realizzati e testati diversi dispositivi sperimentali. Il più recente di essi, chiamato ELISE (Extraction from a Large Ion Source Experiment), è caratterizzato da dimensioni pari a metà di quelle previste per la sorgente ionica di ITER NBI. Altre attività sperimentali di supporto alla ricerca e sviluppo in questo settore sono state avviate presso il Consorzio RFX; una di queste consiste nella realizzazione di una sorgente a ioni negativi relativamente piccola, chiamata NIO1 (Negative Ion Optimization 1), che lavora alla frequenza di 2 MHz, sviluppata per fare esperienza sul funzionamento di sorgenti di ioni negativi e studiare problematiche specifiche di interesse per ITER NBI in un apparato sperimentale molto più flessibile ed accessibile rispetto a SPIDER e MITICA. Inoltre, la realizzazione di un ulteriore dispositivo sperimentale, chiamato HVRFTF (High Voltage Radio Frequency Test Facility), basato su un circuito risonante in alta tensione che polarizza una coppia di elettrodi in vuoto, è stata avviata presso il Consorzio RFX nel 2014 per studiare specifiche problematiche relative alla tenuta della tensione in vuoto di componenti del circuito a radiofrequenza della sorgente di ioni a 1MHz. Il lavoro di ricerca durante i tre anni del mio PhD è stato portato avanti nell’ambito del programma di ricerca e sviluppo sulle sorgenti ioniche a radiofrequenza presso il Consorzio RFX, e durante i periodi di “mobility” presso il laboratorio IPP. Ho avuto l’opportunità di approfondire due tematiche principali: la prima era indirizzata allo studio dell’efficienza del trasferimento di potenza al plasma delle sorgenti di ioni tipo IC RF e allo sviluppo di modelli allo scopo di esplorare in futuro possibili miglioramenti. Infatti, maggiore è l’efficienza, minore è la potenza richiesta al generatore e ciò comporta requisiti meno severi per il sistema di raffreddamento e sollecitazioni inferiori in termini di tensione elettrica applicata. Ho studiato i diversi meccanismi di riscaldamento del plasma (come il riscaldamento ohmico ed in particolare il riscaldamento stocastico) ed ho studiato come descrivere il trasferimento di potenza ad un plasma di idrogeno. Il primo modello sviluppato si basa sullo schema del trasformatore; successivamente ho contribuito significativamente a sviluppare un modello “a multi filamenti” di corrente. Questo modello riproduce le correnti indotte nelle strutture passive presenti nella regione del driver della sorgente di ioni ed è in grado di superare le limitazioni del modello del trasformatore. Ho integrato tutti i modelli per sviluppare una nuova metodologia per la stima dell’efficienza del trasferimento di potenza nei plasmi di idrogeno generati in sorgenti cilindriche. Ho poi implementato la metodologia in MATLAB®, applicandola ai casi delle sorgenti ioniche di ELISE e NIO1, presentando i risultati ottenuti in termini di stima della resistenza equivalente di plasma e di efficienza del trasferimento di potenza come funzione della frequenza applicata e dei parametri di plasma (densità elettronica e pressione del gas). La seconda parte del mio lavoro si è svolta nell’ambito dello sviluppo della HVRFTF. Ho dato importanti contributi che sono consistiti nella caratterizzazione dei componenti del circuito risonante a radiofrequenza (in particolare dell’induttore composto da due solenoidi accoppiati magneticamente), nelle analisi termiche degli elettrodi posti nella camera da vuoto, nelle analisi e progetto di un sistema di schermatura efficace delle radiazioni elettromagnetiche generate dall’operazione dell’esperimento. Tutto ciò ha contribuito al positivo completamento dell’apparato sperimentale, attualmente in funzione. La tesi è strutturata come segue: I capitoli 1 e 2 sono di tipo introduttivo sull’attuale scenario energetico, sul ruolo della fusione termonucleare controllata e del principale esperimento internazionale ITER. In questi capitoli inoltre sono presentati i requisiti del sistema di riscaldamento del plasma di ITER, la descrizione del sistema di iniezione di neutri (NBI) e delle sorgenti ioniche di interesse (SPIDER, ELISE e NIO1). Poi, la tesi è suddivisa in due parti: Parte 1- dal capitolo 3 al capitolo 6- che tratta del lavoro che ho svolto sul problema dell’efficienza del trasferimento induttivo di potenza al plasma nelle sorgenti ioniche. Parte 2 - dal capitolo 7 al capitolo 10- che riassume lo scopo della “HVRFTF” e descrive il mio contributo al suo progetto e realizzazione. Infine, nelle conclusioni ho discusso i più significativi risultati ottenuti dal lavoro di ricerca presentato nelle Parti 1 e 2 di questa tesi evidenziando i possibili sviluppi futuri. Durante il percorso del dottorato di ricerca, ho avuto l'opportunità di crescere e acquisire diverse competenze di ricerca che vanno dagli studi concettuali, alle attività di modellizzazione, alla pratica su diversi codici numerici e anche al lavoro sperimentale, in un contesto internazionale.