Simulazioni Fluide del Plasma nella Sorgente di Ioni Negativi - SPIDER

The ITER fusion reactor will be heated by fast neutral beams generated by accelerating and neutralizing negative ions, produced in a RF inductively-coupled plasma and expanding through a region featuring a magnetic filter. In this thesis a self-consistent two-dimensional fluid model of the source is presented based on separate continuity equations for the different particle species, Poisson equation for the plasma potential and the electron energy balance equation for the electron temperature. In addition, the particle fluxes are calculated assuming the drift-diffusion approximation. The numerical method, based on a semi-implicit scheme, makes use of the finite volume approximation and the 9-points-discretization is exploited in order to take into account the anisotropy due to the magnetic field. Furthermore, the numerical method is implemented in a FORTRAN 95 code (FSFS2D) which was tested in the development phase on a simplified rectangular geometry during the last year. The present simulations take into consideration a more realistic and accurate geometry with respect to the real driver volumes in SPIDER. Influence of the bias potential, magnetic field, neutral gas pressure and radio-frequency power on the plasma properties is investigated and compared with the previous results in simplified geometry. It is shown that for the more correct SPIDER geometry results are generally in agreement with the ones obtained from the rectangular case with however significant differences in the driver region.

Il reattore a fusione nucleare ITER sarà riscaldato da fasci di neutri veloci generati dall'accelerazione e neutralizzazione di ioni negativi, prodotti in un plasma accoppiato induttivamente in RF e che si espande in una regione contenente un filtro magnetico. In questa tesi è presentato un modello fluido bidimensionale autoconsistente della sorgente, basato su equazioni di continuità separate per le differenti specie di particelle, l'equazione di Poisson per il potenziale di plasma e l'equazione di bilancio energetico degli elettroni per la temperatura elettronica. Inoltre, i flussi di particelle sono calcolati assumendo l'approssimazione "drift-diffusion". Il metodo numerico, basato su uno schema semi-implicito, utilizza l'approssimazione di volume finito e adotta una discretizzazione a 9 punti in modo da prendere in considerazione l'anisotropia dovuta al campo magnetico. In più, il metodo numerico è implementato da un codice in FORTRAN 95 (FSFS2D) che è stato testato in fase di sviluppo l'anno scorso in una geometria semplificata rettangolare. Le simulazioni attuali tengono conto di una geometria più accurata e realistica rispetto ai reali driver di SPIDER. È investigata l'influenza del potenziale di bias, del campo magnetico, della pressione del gas neutro e della potenza a radio-frequenza sulle proprietà del plasma e si instaura un confronto con i precedenti risultati in geometria semplificata. Si mostra come la geometria più corretta di SPIDER fornisca risultati in generale accordo con quelli ottenuti nel caso rettangolare con, tuttavia, significative differenze nella regione del driver.