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

Neutral Beam Injectors (NBI) for ITER shall operate at particle energy levels, heating power and steady state working conditions that have never been simultaneously reached before in other fusion experiments. Furthermore, the NBI efficiency, availability and reliability required for a fusion reactor are critical issues that claim for an accurate and robust design. In high energy neutral beams, negative ions are used for the higher efficiency of their neutralization process with respect to the positive ones. Research has demonstrated that the production rate of negative ions is highly increased by the presence of caesium acting as catalyst. Thus, caesium vapours are injected into the plasma source by means of special evaporators, called caesium ovens. The present research work whose results are the subject of this thesis has been carried out in the frame of the design activities for the ITER negative ion source prototype, called SPIDER, which is going to be procured and operated at Consorzio RFX, Euratom-ENEA Association. In particular, the work has been focused on those components of the negative ion beam source which are characterized by continuous cooling to guarantee proper heat removal and temperature control, especially the accelerator grids, where high heating power and highly focused power densities are present. According to the doctorate program, this work has been developed in the following phases. Prototypes of accelerator grid cooling channels have been successfully produced and main manufacturing issues have been solved. In particular, issues on dissimilar metal joining techniques and embedding of thermocouples for thermal monitoring of components have been solved during the production. A specific plant for thermo-hydraulic measurements, called Insulation and Cooling Experiment (ICE), has been designed, procured and operated to execute tests on the grid cooling channel prototypes in order to measure pressure drops and heat transfer coefficients to support the design activity of the SPIDER accelerator. Experimental results have been obtained and compared both with analytical and Computational Fluid-Dynamic models demonstrating that the former underestimate the heat removal capabilities of the cooling channels, whereas the latter are much closer to the experimental results. Finally, the in-vacuum confinement of the entire beam source has required a completely new design of the caesium ovens, with respect to the existing ones. The design of the caesium evaporation and injection systems has been carried out, also supported by thermal and mechanical Finite Element analyses. A proposal of a caesium level measuring system has been presented and its feasibility has been demonstrated by a proof of concept.

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.