Development of high efficiency negative ion source: from conceptual studies to experimental test

Michele Fadone

Key information

Authors:

Michele Fadone (Michele Fadone)

Supervisors:

Piero Martin; Artur Jorge Louzeiro Malaquias (Artur Jorge Louzeiro Malaquias)

Published in

03/30/2020

Abstract

A fusão nuclear constitui uma fonte de energia promissora para atender ao futuro aumento demanda mundial de energia. Para obter um ganho de energia através da reação de fusão da luz núcleos de um reator baseado em congestionamento magnético, a temperatura de um plasma de até 15keV deve ser obtido. Para testar o conhecimento científico e tecnológico viabilidade, a comunidade científica internacional está comprometida em construir a primeira protótipo de ator, chamado ITER. Esta máquina é baseada na configuração do tokamak mas requer algum aquecimento adicional. Entre o sistema de aquecimento auxiliar externo sistemas, existe o injetor de feixe neutro (NBI). O assunto desta tese de doutorado é relacionados à pesquisa e desenvolvimento da NBI para ITER e futuros reatores de fusão. Esquematicamente, um NBI irá operar com fons negativos de hidrogênio / deutério e consiste em uma fonte de plasma, um sistema de extração e aceleração, um estágio de neutralização. Como os parâmetros exigidos, com valores sem precedentes, todos esses componentes precisam de uma extensa pesquisa e desenvolvimento antes da realização real do NBI para o ITER. Esta é a razão pela qual um neutro O recurso de teste de feixe (NBTF) para ITER foi construído no Consorzio RFX. Neste site, a operação em hidrogênio da fonte SPIDER para o ITER NBI já foi iniciado, enquanto o protótipo de tamanho grande da NBI MITICA ainda está em construção. Para otimizar a geração no SPIDER, um estudo sobre distribuição de césio dentro de uma câmara de uum foi realizada: de fato, a deposição de metais alcalinos em uma superfície é fundamental para melhorar a geração de fons negativos. Para DEMO e futuro reatores de fusão, o próximo passo no roteiro dos reatores de fusão após o ITER, é necessário melhorar a eficiência de todo o NBI e, em particular, dos mecanismos para produzir fons negativos. O trabalho desta tese de doutorado tratou desta questão focando otimização das fontes atuais e formas alternativas de gerar resultados negativos fons de uma fonte de plasma. Especificamente, a otimização de dois principais fons negativos mecanismos de geração, superficie e volume, foram estudados separadamente em dois diferentes experiências. O primeiro foi construído aproveitando o espaço aeroespacial tecnologia e tem operado para a produção de superfície. O conhecimento adquirido no estudo SPIDER césio tem sido usado para melhorar a extração do negativo fons dessa fonte. Quanto ao volume de produção, a atividade ocorreu no SPC-EPFL em Lausanne, onde existe um helicóptero ressonante de radiofrequência fonte de plasma da antena. O dispositivo provou ser muito eficaz na geração de fons negativos por mecanismo de volume. No entanto, a extração neste dispositivo ainda é uma questão em aberto devido à perturbação do campo magnético no plasma. Para superar esse problema, protótipos de sistemas extratores foram projetados para tirar o máximo proveito da alta densidade de H plasma encontrada no plasma gerado. Nuclear fusion constitutes a promising energy source to meet the future increasing world energy demand. To obtain an energy gain through the fusion reaction of light nuclei in a reactor based on magnetic confinement, the temperature of a confined plasma up to 15keV has to be obtained. To test the scientific and technological feasibility, the international scientific community is committed to build the first reactor prototype, called ITER. This machine is baesd on the tokamak configuration but requires some additional heating. Among the external auxiliary heating systems, there is the Neutral Beam Injector (NBI). The subject of this PhD thesis is related to NBI R&D for ITER and future fusion reactors. Schematically, a NBI will operate with Hydrogen/Deuterium negative ions and consists of a plasma source, an extraction and acceleration system, a neutralization stage. Since the parameters required have unprecedented values, all these components need an extensive R&D before the actual realization of the NBI for ITER. This is the reason why a Neutral Beam Test Facility (NBTF) for ITER has been built at Consorzio RFX. In this site, the operation in Hydrogen of the source SPIDER for ITER NBI has been already started, while the full size NBI prototype MITICA is still under construction. The work of this PhD thesis dealt with this issue focusing on optimization of present sources and alternative ways to generate negative ions from a plasma source. To optimize the generation in SPIDER, a study on cesium distribution inside a vacuum chamber has been performed: indeed the alkali metal deposition on a surface is fundamental to enhance the generation of negative ions. For DEMO and future reactors, the next step in the fusion reactors roadmap after ITER, it is necessary to improve the efficiency of the whole NBI and in particular of the mechanisms to produce negative ions. Specifically, the optimization of two main negative ion generation mechanisms, surface and volume, have been studied separately in two different experiments. The first one has been built taking advantage of aerospace technology and it has operated for the surface production. The knowledge acquired in the SPIDER cesium study has been used to enhance the extraction of the negative ions from this source. As for the volume production, the activity has taken place at SPC-EPFL in Lausanne where there is a Radio-Frequency(RF) resonant helicon antenna plasma source. The device has been proved very effective in generating negative ions by volume mechanism. However, the extraction in this device is still an open issue due to the perturbation of the magnetic field confining the plasma. To overcome this problem, extractor system prototypes have been designed in order to take full-advantage of the high H− density found in the generated plasma. The result of a thorough analysis performed by electromagnetic and particle tracing simulations has confirmed the potential of optimum negative ion generation at a level of proof of principle, so that the design of two different extraction systems have been carried out.