Investigation of the parameters of a particle beam by numerical models and diagnostic calorimetry

Neutral particle beams are used as auxiliary heating and current drive systemfor magnetically confined thermonuclear plasmas. The design of ITER in particular, the international experiment on nuclear fusion under realisation in Cadarache (France), features two neutral beam injectors (NBI) delivering 16.5 MW each. In order to deposit the beams efficiently at the core part of the ITER plasma, the beam energy has to be in the order of 1 MeV and therefore the option of accelerating positive ions has been discarded since their neutralisation efficiency falls abruptly beyond 100 keV. The generation and acceleration up to 1 MeV of a 40 A deuterium negative ion current still presents many open issues both from the physics and engineering point of view. To work on these issues a dedicated test facility, named PRIMA, is under construction at Consorzio RFX, in Padova (Italy). PRIMA is constituted by two sub-facilities: MITICA, the full injector prototype, and SPIDER, the prototype source dedicated to the optimization of the source performance. The latter, which is going to start operation in 2018, is equipped with many diagnostics to improve the understanding of the negative ion source and beam extraction physics. In such framework, this thesis focuses on the characterisation of a negative ion beam by means of one of such diagnostics, the instrumented calorimeter STRIKE, and by the application of different simulation codes to the interpretation of the experimental conditions. The contents of the thesis chapters are shortly listed below. A brief introduction on nuclear fusion is given in Chapter 1, discussing the use of magnetically confined plasmas, the performance to be achieved in order to have a favourable efficiency in power generation, the main features of ITER and the necessity of additional heating and current drive systems such as radio-frequency waves and neutral beam injectors. In addition, a conceptual design of a NBI in terms of the requirements on its main components is given. Chapter 2 focuses in more detail on the negative ion source and the electrostatic accelerator, introducing the prototype RF source and the main properties of beam optics. A brief insight in the beam modeling activity is also given by presenting the finite element solver and particle-tracing code OPERA and the Monte Carlo particle-tracing code EAMCC3D. Furthermore a brief description is given about the two facilities of particular interest for this thesis: the ITER prototype source SPIDER and the NIO1 (Negative Ion Optimization 1) experiment, currently operated at Consorzio RFX, in which a small-scale version of STRIKE is also installed. The activity regarding the diagnostic calorimeter STRIKE is described in Chapter 3, where the features of the SPIDER beam heat load, the suite of signals collected by STRIKE, the testing and modeling activity on the STRIKE prototype sensors, the tools available for analysing STRIKE data and their application to the data collected with prototype versions of STRIKE in other test facilities are discussed. Chapter 4 describes the application of the codes OPERA and EAMCC3D to simulate the beam features of NIO1. In Chapter 5 a comparison between modeling and data from the NIO1 diagnostic calorimeter is presented for some of the NIO1 experimental campaigns, showing the improvement in the beam physics understanding that a combined approach may guarantee. Finally, the main results and the possible future developments in the synergy between diagnostic calorimetry and beam modeling activity in view of SPIDER are discussed in Chapter 6.

Al fine di fornire riscaldamento addizionale e indurre una corrente in plasmi termonucleari confinati magneticamente è possibile utilizzare fasci di particelle neutre. In particolare il design di ITER, l’esperimento internazionale sulla fusione nucleare attualmente in costruzione a Cadarache (Francia), prevede due iniettori di particelle neutre (NBI) in grado di fornire 16.5 MW ciascuno. Affinché il fascio possa penetrare efficacemente nel plasma di ITER, la sua energia deve essere nell’ordine di 1 MeV e questo esclude l’opzione di accelerare ioni positivi, la cui efficienza di neutralizzazione si riduce drasticamente per energie superiori a 100 keV. La generazione e accelerazione di 40 A di ioni negativi di deuterio fino a 1 MeV d’altronde, presenta ancora molti punti aperti sia dal punto di vista della fisica che da quello ingegneristico per affrontare i quali la test facility PRIMA è attualmente in fase di realizzazione a Padova presso il Consorzio RFX. PRIMA è suddivisa in due test facility: MITICA, il prototipo di iniettore per ITER, e SPIDER, il prototipo della sorgente di ioni dedicato all’ottimizzazione delle sue performance. Al fine di meglio comprendere i fenomeni che accadono all’interno della sorgente e la fisica dell’estrazione, SPIDER è dotato di diverse diagnostiche. All’interno di questo contesto, questa tesi è dedicata alla caratterizzazione di un fascio di ioni negativi mediante una di queste diagnostiche, il calorimetro STRIKE, e l’applicazione di diversi codici di simulazione per interpretare le condizioni sperimentali. I contenuti dei diversi capitoli sono elencati brevemente di seguito. Nel Capitolo 1 viene introdotto il confinamento magnetico di plasmi termonucleari e si discutono le prestazioni che devono esser raggiunte da un reattore a fusione per produrre energia con una ragionevole efficienza. In questo contesto viene presentato il progetto ITER e viene giustificata la necessità di sistemi di riscaldamento addizionale come onde a radio frequenza o fasci di particelle neutre. Infine viene presentato un design concettuale di un NBI, definendone i componenti principali. Il Capitolo 2 si concentra con maggiore dettaglio su due di questi componenti: la sorgente di ioni e l’acceleratore elettrostatico. In particolare viene descritto il prototipo di sorgente a radio-frequenza e le principali proprietà dell’ottica del fascio. In seguito viene presentata l’attività di modellistica introducendo il codice agli elementi finiti di particle-tracing OPERA e il codice Monte Carlo di particle-tracing EAMCC3D. Infine vengono descritte le due test facility di particolare interesse per questa tesi: il prototipo SPIDER e l’esperimento NIO1 (Negative Ion Optimization 1), in cui è installata una versione ridotta del calorimetro STRIKE. L’attività riguardante il calorimetro diagnostico STRIKE è descritta nel Capitolo 3, in cui sono descritti sia le caratteristiche del carico termico dovuto al fascio di SPIDER che l’insieme di segnali complementari raccolti dal calorimetro STRIKE. Una lunga sezione è dedicata ai prototipi dei sensori di STRIKE, descrivendo l’attività modellistica, i test effettuati sulla loro capacità diagnostica e sulla loro resistenza a carichi termici paragonabili a quelli di SPIDER. Infine, vengono descritti gli strumenti utilizzati per analizzare i dati raccolti con la versione in scala ridotta di STRIKE, il calorimetro mini STRIKE, in diversi esperimenti. Il Capitolo 4 descrive l’applicazione dei codici OPERA ed EAMCC3D per simulare le caratteristiche del fascio di ioni di NIO1. Nel Capitolo 5 i risultati di questi modelli sono confrontati con i dati sperimentali nel caso del calorimetro diagnostico di NIO1, mostrando come un approccio combinato possa favorire l’interpretazione e la comprensione del comportamento dell’acceleratore. Infine i risultati principali e i possibili sviluppi futuri in merito alla sinergia tra calorimetria e modellistica in vista dell’operazione di SPIDER sono discussi nel Capitolo 6.