Wall conditioning studies and plasma-facing materials qualification for magnetically confined fusion experiments

Nell’ambito dei plasmi da fusione a confinamento magnetico, conseguire una comprensione globale dell’interazione plasma-parete è fondamentale per raggiungere regimi di confinamento migliorati, necessari per la produzione di energia da fusione. Un’aspetto problematico è la mancanza di controllo della densità di plasma, osservata in macchine con la prima parete in carbonio. Componenti in carbonio di fronte al plasma hanno il vantaggio di sopportare elevati carichi di energia, che possono raggiungere decine di MW/m2, ma presentano lo svantaggio di un’alta ritenzione delle particelle di idrogeno presenti nel combustibile. Il riciclaggio di combustibile, cio´e l’azione di scambio di queste particelle di combustibile tra la parte esterna e calda del plasma e la prima parete, presenta spesso un fattore superiore a 1 e rende il compito del controllo della densità estremamente difficile. Le tecniche di condizionamento della prima parete hanno dimostrato gran successo come strumento per superare tale fattore limitante del carbonio. Nel tokamak DIII-D [1] sono stati raggiunti dei regimi di confinamento molto elevati (VH-mod) applicando solamente una pellicola sottile di boro sulla superficie della parete. Inoltre nel tokamak TFTR [2] sono stati osservati dei miglioramenti significativi nelle prestazioni ‘SuperShot’ che iniettando pochi milligrammi di litio durante scariche di plasma portano a un quasi raddoppio della potenza di fusione. E’ fondamentale quindi l’implementazione e l’ottimizzazione delle tecniche di condizionamento della prima parete, insieme con lo studio di nuovi materiali. RFX-mod come molte altre macchine da fusione, è dotato di una prima parete in grafite policristallina. Regimi di confinamento migliorati sono stati raggiunti ad alta corrente di plasma, i cosiddetti stati SHAx [3], caratterizzati da una deformazione elicoidale della colonna di plasma e dalla formazione di barriere di trasporto interno. Tuttavia, il pieno raggiungimento di tali regimi è stato ostacolato da una mancanza di controllo della densità. Per risolvere questo problema, è stato attuato un’insieme di tecniche di condizionamento della parete, tra cui scariche di plasma a basso livello di ionizzazione in elio (HeGDC), parete condizionata in boro utilizzando, B2H6 in scariche glow di elio e recentamente trattamento della parete con litio mediante iniezione pellet ed evaporazione di litio. Tuttavia gli effetti benefici di queste tecniche sui plasmi RFX-mod sono limitate a causa della mancanza di ottimizzazione e di comprensione dei meccanismi fondamentali che governano la maggiore interazione plasma-parete. In questa tesi è stata studiata l’ottimizzazione e l’ulteriore attuazione delle tecniche di condizionamento. HeGDC è stata caratterizzata in termini di parametri sperimentali, quindi la sua efficienza è stata esaminata in termini di H emesso dalla parete, in combinazione con scariche di plasma in He. D’altra parte, un insieme di tecniche di scienza delle superfici, tra cui SIMS, XPS, AES, EDS/X, SEM e RBS sono state utilizzate per indagare, attraverso ex-situ analisi post mortem, le proprietà fisiche e chimiche dei film sottili di boro e litio dopo il condizionamento della parete. Per quanto riguarda l’ottimizzazione della GDC il risultato principale è che una forte asimmetria toroidale è stata osservata e confermata dalle misure spettroscopiche. L’analisi preliminare di HeGDC tra scariche sperimentali come stategia per la pulizia della parete è promettente. Per quanto riguarda l’ottimizzazione della boronizzazione, è stata trovata evidenza di una crescita di deposizione di boro aumentando la potenza della scarica glow. Per quanto riguarda il condizionamento della parete con il litio, una correlazione tra la dose di litio utilizzata e la frazione di carbonato di litio è stata trovata. Infine è stata recentemente considerata una transizione verso una prima parete metallica in RFX-mod, come una soluzione alternativa per superare gli inconvenienti della prima parete in grafite, in quanto offre un minor riciclaggio. Rivestimenti in tungsteno su campioni di grafite sono state elaborati utilizzando due diverse tecniche Physical Vapor Deposition (PVD): High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) è una tecnica sviluppata a livello locale presso il laboratorio CNR-IENI e Combined Magnetron Sputtering and Ion Implantation (CMSII), sviluppata presso il laboratorio MEdC-Rumeno Euratom Association. I rivestimenti di tungsteno sono stati preliminarmente caratterizzati da SEM e testati con prove di aderenza prima di esporli al plasma. L’esposizione al plasma è stata fatta in sessioni sperimentali che comprendono circa 15 scariche, durante le quali l’interazione con il plasma è stata migliorata localmente dal sistema di controllo attivo del limite magnetica per simulare le condizioni degli eventi di interazione plasma-parete. La tecnica CMSII, che ha dato i difetti minori nella prima fase, è stata poi testata sulle dimensioni di macchina sostituendo 4 attuali tegole di carbonio in RFX-mod con quelle rivestite in tungsteno. Le tegole sono state esposte a tre mesi di normale funzionamento in RFX-mod, e sottoposte ad una vasta gamma di condizioni operative; dopo tale esposizione sono state osservate grandi aree danneggiate. La dimensione di questi danni e in particolare la rimozione del rivestimento in alcune aree e la sua fusione potrebbero scartare questa soluzione verso una prima parete metallica in RFX-mod. Rivestimenti in W più spessi, dell’ordine di 100-200 µm, che siano compatibili con la tolleranza sul peso della parete nella struttura meccanica di RFX-mod possono offrire una migliore soluzione per l’upgrade della macchina.