First characterization of the SPIDER negative ion beam by the diagnostic calorimeter STRIKE

Il tokamak ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) è un progetto internazionale, il cui obiettivo è quello di dimostrare la possibilità di produrre energia mediante la fusione nucleare di nuclei di deuterio e trizio con un'efficienza sufficiente e per un tempo ragionevole (fino a un'ora per ITER). Per raggiungere le temperature necessarie alla fusione, occorrono dei sistemi di riscaldamento addizionali, quale ad esempio l'iniezione di un fascio di particelle neutre. Il cuore di un iniettore di neutri (NBI) è una sorgente a radiofrequenza che crea ioni negativi di idrogeno e/o deuterio. Il prototipo di tale sorgente, SPIDER (Source for the Production of Ions of Deuterium Extracted from a Radio frequency plasma), è stato costruito al Consorzio RFX di Padova per studiare e ottimizzare la produzione di ioni negativi e la loro estrazione dalla sorgente. Per misurare i parametri del fascio di ioni negativi di SPIDER, sono utilizzati diversi strumenti diagnostici. Uno di essi è il calorimetro STRIKE (Short-Time Retractable Instrumented Kalorimeter Experiment) il cui obiettivo è caratterizzare il fascio di SPIDER durante brevi operazioni (di qualche secondo) e verificare che il fascio rispetti i requisiti di ITER per quanto riguarda la massima non uniformità consentita (meno del ± 10 %). Le misure più importanti svolte da STRIKE riguardano: l'uniformità e la corrente del fascio, la sua divergenza e le perdite dovute all'interazione tra il fascio e il gas di fondo. Le principali componenti di STRIKE sono 16 tegole in fibra di carbonio composita (1D-CFC), osservate sul retro da delle termocamere al fine di determinare la distribuzione spaziale della potenza all'interno del fascio, costituito da 1280 fascetti, divisi in 4 × 4 gruppi di 5 × 16 beamlets ciascuno. L’obiettivo principale di questa tesi, è dare una prima caratterizzazione al fascio di ioni negativi di SPIDER, mediante il calorimetro diagnostico STRIKE. Nel Capitolo 1, viene data un'introduzione alla fusione nucleare e all'esperimento ITER. Viene inoltre data la definizione di plasma e viene spiegato il confinamento magnetico, focalizzandosi sui requisiti e sui componenti di un iniettore di un fascio di neutri (NBI). Le sorgenti di ioni negativi e la fisica di un fascio di particelle vengono descritte nel Capitolo 2, dove è posta particolare attenzione alla creazione di ioni idrogeno negativi. Il Capitolo 3 presenta i dettagli tecnici della sorgente di ioni negativi SPIDER e del calorimetro STRIKE, focalizzandosi sulle tegole e sulle diagnostiche eseguite da tale calorimetro. Nel Capitolo 4 viene descritto il software utilizzato per l'analisi dei dati di STRIKE durante la prima fase di attività sperimentale. L'analisi dati viene poi discussa nel Capitolo 5: in particolare si studia l'influenza dei parametri della sorgente sulle proprietà del fascio. Infine i principali risultati e gli studi futuri sono presentati nel Capitolo 6. The ITER tokamak is an international project, whose aim is to prove the possibility to produce energy by nuclear fusion of deuterium and tritium nuclei with a sufficient efficiency and for a reasonable duration of time (up to one hour for ITER). In order to reach the high temperatures necessary for thermonuclear fusion, additional heating systems are required, such as the injection of a neutral beam. The main component of a Neutral Beam Injector (NBI) is a Radio Frequency (RF) source which creates negative hydrogen or deuterium ions. The test facility SPIDER (Source for the Production of Ions of Deuterium Extracted from a Radio frequency plasma) was built at Consorzio RFX in Padova (Italy), in order to study and optimize negative ion production and extraction for the ITER neutral beam injectors. In order to measure the parameters of the SPIDER negative ion beam, several diagnostics are used. One of them is the Short-Time Retractable Instrumented Kalorimeter Experiment (STRIKE) with the aim of characterizing the SPIDER beam during short operations (several seconds) and verifying the ITER requirement regarding the maximum allowed beam non-uniformity (below ±10 %). The most important measurements performed by STRIKE are: beam uniformity and current, beam divergence and particle losses due to the beam interaction with the background gas. The main components of STRIKE are 16 one-directional (1D) Carbon Fiber Composite (CFC) tiles, observed on the rear side by thermal cameras in order to determine the spatial distribution of power within the beam, constituted by 4 × 4 groups of 5 (horizontally) × 16 (vertically) beamlets each. The main goal of the present thesis is to give a first characterization of the SPIDER negative ion beam by means of the STRIKE calorimeter. In Chapter 1, an introduction to nuclear fusion and to the ITER experiment is given. Furthermore the magnetic confinement is explained, focusing on the Neutral Beam Injector (NBI) heating of the fusion plasma. Negative ion sources and beam physics are described in Chapter 2, in particular the creation of negative hydrogen ions is explained. Chapter 3 presents the technical details of the negative ion source SPIDER and the STRIKE calorimeter, focusing on the tiles and the diagnostics provided by STRIKE. In Chapter 4 the software used for the data analysis of the first phase of experimental activity is described. Data analysis is then discussed in Chapter 5: in particular the influence of the source parameters on the beam properties is investigated. Finally, the main results and the future developments are presented in Chapter 6.