Functional and manufacturing optimization of the beam source for the Neutral Beam Injector of DTT

The Divertor Test Tokamak (DTT) will be a new experimental facility expected to be built in Italy in the near future, and part of a greater research plan towards the generation of electrical power by a Demonstration Fusion Power Plant (DEMO) by 2050. This one in particular aims to cover with on-field experience the gap in Plasma Facing Components knowledge during the complex extrapolation process from proof-of principle devices to actual full-power experiments like ITER and future DEMO-like reactors, that cannot simply be filled with numerical simulations. This DTT tokamak will need to be flexible enough in its working conditions to study, test and propose a solution then to be used directly where needed; consequently, it must be able to realize scaled experiments integrating most of the possible aspects of the DEMO power and particle exhaust. In order to obtain this ambitious objective, auxiliary heating from Neutral Beam Injection has been estimated in the order of 10 MW of power; to that end, a single injector has been proposed, with an extracted total current of about 40 A of D– using a 510 keV electrostatic acceleration system. These systems, albeit simple in the concept of using grids to accelerate particles, present a manifold of complications, non-linearities and critical issues that call for accurate simulation in each physical aspect that is encompassed within. This thesis work focuses first on satisfying various unmet project criteria for DTT NBI, similar to those in ITER and in pre-conceptual works for DEMO. Said criteria considered here regard aspects of beam optics and total beam transmission, following the choices made previously by the DTT team and other researchers mostly on term of grid geometry, materials, extracted power, gas background density, and such. To do this, a suite of codes has been developed, able to estimate each desired aspect of the NBI based on established boundary conditions; various improvements and novel concepts have been proposed and validated through simulation.

Il Divertor Test Tokamak (DTT) sarà un nuovo centro sperimentale, previsto di essere costruito in Italia tra pochi anni, e parte di un piano di ricerca più grande verso la generazione di potenza elettrica da un Demonstration Fusion Power Plant (DEMO) entro il 2050. Questa struttura in particolare mira a coprire con esperienza sul campo una lacuna sulla conoscenza dei Plasma Facing Components durante il complesso processo di estrapolazione da macchine sperimentali ad esperimenti a piena potenza come ITER o futuri reattori di tipo DEMO, non colmabile semplicemente con simulazioni numeriche. Questo DTT tokamak dovrà possedere una certa flessibilità nelle condizioni di lavoro per studiare, testare e proporre una soluzione da poter usare poi ovunque necessario; di conseguenza, deve essere in grado di realizzare esperimenti in scala integrando il maggior numero possibile degli aspetti propri delle potenze in gioco e scarico particelle (simili a DEMO). Per ottenere questo obiettivo ambizioso, è stata stimata la necessità di riscaldamenti ausiliari da iniettori di neutri (NBI) nell’ordine di circa 10 MW di potenza; a tal fine, un singolo iniettore è stato proposto, con una corrente estratta totale di circa 40 A di D– usando un sistema di accelerazione elettrostatica di 510 keV. Questi sistemi, seppur semplici nel concetto di usare griglie cariche per accelerare particelle, presentano un grande numero di complessità, non linearità e problemi critici che richiedono simulazioni accurate in ogni aspetto fisico che le interessa. Questo lavoro di tesi si focalizza sul soddisfare alcuni vari criteri di progetto per DTT NBI, simili a quelli di ITER o di lavori pre-concettuali per DEMO. I criteri qui considerati riguardano aspetti di ottica e trasmissione del fascio, seguendo scelte fatte in passato dal team di DTT ed altri ricercatori perlopiù in termini di geometria di griglia, materiali, potenza estratta, densità del gas di sottofondo, e simili. Per portare a termine il lavoro, è stato sviluppato un insieme di codici, capace di stimare ogni aspetto desiderato dell’NBI basandosi su condizioni al contorno prestabilite; varie migliorie e nuovi concetti sono stati proposti e validati tramite simulazione.