Analisi della distribuzione di cesio in una sorgente di ioni negativi, per mezzo di una diagnostica spettroscopica di assorbimento.

Nuclear fusion is among the most ambitious energy production research areas of the future with low environmental impact. Currently, the world’s largest controlled thermonu- clear fusion experiment is under construction in Cadarache, southern France: ITER. In order to achieve the ideal performance for nuclear fusion in ITER, additional heating systems are required. Injection of beams of neutral particles is among the most impor- tant methods. At the RFX Consortium in Padua, experiments are underway on SPIDER (Source for Production of Ion of Deuterium Extracted from Rf plasma), the prototype of the negative ion source that will be used in neutral injectors. Negative ions are instru- mental in the production of neutral beams, whose current must be maximised in order to bring the central plasma temperature inside ITER to 10 keV–15 keV. One of the main results to be achieved by SPIDER is a current density of negative ions H− of 355 Am−2 and ions D− of 285 Am−2. To achieve these goals, it is essential to evaporate caesium within the source. Caesium lowers the surface work function so as to increase the conversion of ions and atoms into negative ions; it is therefore of paramount importance to monitor caesium density and distribution within SPIDER. The diagnostic system used to monitor the density and uniformity of neutral caesium is Laser Absorption Spectroscopy (LAS). This thesis focuses mainly on this one by improving the density estimates made in the 2021 experimental campaign and deepening the knowledge on the distribution of caesium inside SPIDER under vacuum and plasma conditions. The results obtained from the analysis show that caesium is mainly distributed in the upper-middle part of the source and its presence is strongly dependent on oven evapora- tion and vacuum/plasma phases. The experimental campaign was carried out mainly in hydrogen gas, the last two days in deuterium. The data analysed in the presence of deu- terium show that the erosion of caesium is much more pronounced (the caesium density in the source triples), while the density measured as a function of evaporation from the ovens is unchanged with respect to operations in hydrogen.

La fusione nucleare è tra i più ambiziosi progetti di produzione di energia a basso impatto ambientale del futuro. Attualmente a Cadarache, nel sud della Francia, è in costruzione il più grande esperimento al mondo sulla fusione termonucleare controllata: ITER. Al fine di raggiungere le prestazioni ideali per ottenere la fusione nucleare all’in- terno di ITER è necessario adottare sistemi di riscaldamento addizionali. Tra i metodi più importanti rientra l’iniezione di fasci di particelle neutre. Presso il Consorzio RFX a Padova è in corso la sperimentazione su SPIDER (Source for Production of Ion of Deu- terium Extracted from RF plasma), il prototipo della sorgente di ioni negativi che verrà impiegata negli iniettori di fasci neutri. Gli ioni negativi sono funzionali alla produzione di fasci neutri, la cui corrente deve essere massimizzata al fine di portare la temperatura centrale del plasma all’interno di ITER a 10 keV–15 keV. Uno tra i principali risultati che SPIDER dovrà raggiungere sarà ottenere una densità di corrente di ioni negativi estratti H− di 355 Am−2 e di ioni D− di 285 Am−2. Per raggiun- gere questi obiettivi è essenziale evaporare cesio all’interno della sorgente. Il cesio abbassa il potenziale di estrazione delle superfici aumentando così il tasso di conversione di neutri e ioni positivi in H−/D−; è quindi di fondamentale importanza monitorare densità e di- stribuzione del cesio all’interno di SPIDER. La diagnostica che si utilizza per controllare la densità e l’uniformità del cesio neutro è la Laser Absorption Spectroscopy (LAS). La tesi si concentra principalmente su quest’ultima, migliorando le stime di densità effettuate nella campagna sperimentale 2021 e approfondendo la conoscenza sulla distribuzione del cesio all’interno di SPIDER in condizioni di vuoto e di plasma. I risultati ottenuti dalle analisi mostrano che il cesio è distribuito principalmente nella parte medio alta della sorgente e la sua presenza è fortemente dipendente dall’evapora- zione dei forni e dall’alternanza delle fasi di vuoto/plasma. La campagna sperimentale è stata effettuata principalmente in gas idrogeno, gli ultimi due giorni in deuterio. I dati analizzati in presenza di deuterio mostrano che l’erosione di cesio è molto più evidente (si trova il triplo della densità di cesio nella sorgente), mentre la densità rilevata in funzione dell’evaporazione dai forni è invariata rispetto alle operazioni in idrogeno.