Conceptual design of an energy recovery system from residual ions in the DEMO neutral beam injector

In order to increase the efficiency of DEMO in this thesis a "conceptual study of purely electrostatic recovery system for negative-ion-based" neutral beam injectors developed by Jérome Pamela and Stéphane Laffite in 1990-1992 has been resumed and upgraded. Using this project as a starting point, a recovery system substitute for RID(Residual Ion Dump) has been devised, that is an injector component designed for DEMO for the sole absorption of ions without the possibility of collection. The apparatus in question will be able to collect the residual ions in order to charge an energy storage system and therefore increase the efficiency of the experiment. The collection system foresees that the ions are defl ected with respect to the neutral beam, in order to be directed on the collectors and then collected by electrodes. For the defl ection of ions, both electric and magnetic methods were considered and, for the latter, a study was carried out on the geometry of the coils in order to optimize the magnetic field in the affected area. The electrical potentials and currents used for the various configurations have been optimized through simulation of the trajectories of positive and negative ions using COMSOL Multiphysics, paying particular attention to the physical limits of thermal load for the vendors and to the RAMI(reliability, availability, maintainability and inspectability) guidelines. To verify the correctness of the results obtained the simulations were validated against analytical computations in simplified cases. Finally, a comparison was made between the various configurations to identify the best solution among them. Al fine di aumentare l'efficienza di DEMO, in questa tesi è stato ripreso e migliorato uno "studio concettuale del sistema di recupero puramente elettrostatico per iniettori di fasci neutri a ioni negativi" sviluppato da Jérome Pamela e Stéphane Laffite nel 1990-1992. Utilizzando questo progetto come punto di partenza, è stato ideato un sistema di recupero sostitutivo al RID(Residual Ion Dump), ovvero un componente dell'iniettore progettato per DEMO finalizzato al solo assorbimento degli ioni senza possibilità di raccolta. L'apparato in questione sarà in grado di raccogliere gli ioni residui al fine di caricare una batteria e quindi aumentare l'efficienza dell'esperimento. Il sistema di raccolta prevede che gli ioni siano defl essi rispetto al fascio di neutri, in modo da essere indirizzati sui dei collettori e quindi raccolti tramite elettrodi. Per la de flessione degli ioni sono stati considerati sia metodi elettrici che magnetici e, per questi ultimi è stato effettuato uno studio sulla geometria delle bobine al fine di ottimizzare il campo magnetico nella zona interessata. I potenziali elettrici e le correnti utilizzate per le varie configurazioni sono state ottimizzate attraverso la simulazione delle traiettorie di ioni positivi e negativi utilizzando COMSOL Multiphysics, prestando particolare attenzione ai limiti fisici di carico termico per i materiali e alle linee guida del RAMI(reliability, availability, maintainability and inspectability). Per verificare la correttezza dei risultati ottenuti le simulazioni sono state validate con calcoli analitici in casi semplificati. Si è infine effettuato un confronto tra le varie configurazioni per individuare la migliore soluzione tra di esse.