Numerical studies of a negative ion beam and of a tomographic beam diagnostic

ITER is the first reactor-scale scientific experiment that aims to demonstrate the scientific and the technological feasibility of fusion energy. It is based on the tokamak concept of magnetic confinement, in which the fuel, a mixture of deuterium and tritium heated to temperatures in excess of 150 million degrees Celsius, is contained in a toroidal vacuum chamber. Among the systems used to reach such high temperature range, a fundamental role is played by the injection of intense beams of neutral particles into the plasma, which is consequently heated by collisions. This process is realized by means of two Neutral Beam Injectors (NBIs), capable of delivering to the plasma a power of 16.7 MW each. These devices are mainly composed of a negative deuterium ion source, an electrostatic accelerator where a 40 A beam of negative deuterons will be accelerated to 1 MV and a neutralizer which converts part of the beam into high energy neutrals able to penetrate the high magnetic field confining the ITER plasma. The ITER requirements for these devices have never been simultaneously achieved so far in a full scale, full performance device and therefore a neutral beam test facility is being constructed at Consorzio RFX in Padova. The research activity presented in this thesis work is in the framework of the development of the negative ion source (SPIDER) and full injector (MITICA) prototypes for the ITER neutral beam. In particular, it is focused on two main topics: particle transport studies inside the MITICA accelerator and the development of a tomographic beam diagnostic. A proper modeling of the particle transport inside the MITICA accelerator, considering the main processes that generate secondary particles relevant for the evaluation of the heat loads on the accelerator grids is essential for the thermo-mechanical analysis and the mechanical design of the accelerator. For this reason an upgrade of the relativistic particle tracking code called EAMCC has been undertaken and the simulations performed for evaluating the thermal power deposited on the MITICA accelerator grids are presented in the first part of the present thesis work. For the first time, an entire source called NIO1 installed at RFX and made of nine beamlets has been simulated in EAMCC considering multi-beamlet effects which were neglected earlier and discarding the axis-symmetry hypothesis of the electric fields imposed by the original version of the code. Results obtained, also presented in the first part, will be used for benchmarking the modifications introduced in the code. The second part of the thesis is dedicated to beam tomography, an important diagnostic for the assessment of the density profile of the beam. A tomography code based on algebraic reconstruction techniques has been developed and numerically tested. Beam emissivity profiles considered for testing the code are calculated by the upgraded version of EAMCC. The tomography code has been developed with the aim of realizing a versatile instrument, applicable to linear accelerators as well as to a tokamak and without adding any hypotheses about the beam characteristics or the emissivity in a particular region of the tomography plane, not to limit the capability of the code of detecting irregularities in the beam profiles. The effects of the instrumental noise on tomography reconstructions have also been studied and, in order to reduce its impact, different filtering techniques have been considered both in the frequency and in the spatial domain, demonstrating the feasibility to filter out the effect of the noise by post-processing the reconstructed image of the beam

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) è un reattore sperimentale a fusione termonucleare basato sulla configurazione magnetica tokamak e volto a dimostrare la possibilità di sfruttare l’energia da fusione per la generazione di elettricità. Il combustibile nucleare costituito da una miscela di deuterio e trizio, portato a temperature eccedenti i 150 milioni di gradi centigradi, è confinato in una camera di forma toroidale per mezzo di campi magnetici. Tra i sistemi usati per riscaldare il combustibile nucleare, l’iniezione di neutri riveste un ruolo fondamentale. Essa consiste nella iniezione di nuclei di deuterio ad alta energia (1 MeV) che scaldano il combustibile gassoso altamente ionizzato (denominato plasma) a seguito delle collisioni con lo stesso. In ITER sono previsti due iniettori di neutri (NBIs), ciascuno in grado di immettere nel plasma una potenza di 16,7 MW. Tali iniettori sono essenzialmente costituiti da una sorgente di ioni negativi di deuterio, un acceleratore elettrostatico dove un fascio di 40 A di tali ioni viene accelerato fino a raggiungere l’energia di 1 MeV e un neutralizzatore nel quale una parte del fascio viene convertita in particelle neutre ad alta energia che possono penetrare gli intensi campi magnetici usati per confinare il plasma: il sistema dovrà operare continuativamente per un’ora. Le prestazioni richieste per tali iniettori di neutri non sono mai state raggiunte fino ad ora simultaneamente in un unico esperimento e su tale scala. Si è reso pertanto necessario lo studio e lo sviluppo di un prototipo di iniettore, affidato al Consorzio RFX di Padova. Il progetto prevede lo studio e la realizzazione della sorgente di ioni dell’ITER NBI (SPIDER) e successivamente la costruzione del prototipo dell’intero iniettore (MITICA). La mia attività di ricerca, presentata in questa tesi, si inserisce in tale contesto e più in particolare è incentrata sullo studio del trasporto di particelle all’interno di acceleratori lineari finalizzato al calcolo della potenza termica depositata nelle griglie dell’acceleratore di MITICA e sullo sviluppo di una diagnostica tomografica per fasci di particelle. Un appropriato modello fisico, il più realistico possibile, dei fascetti di particelle che compongono il fascio di MITICA è fondamentale per l’analisi termo-meccanica e per il progetto meccanico dell’acceleratore. A tale scopo, sono state eseguite delle modifiche al codice di calcolo EAMCC usato per simulare i processi di creazione di cariche secondarie che generano notevoli carichi termici sulle griglie dell’acceleratore. La versione modificata del codice è stata utilizzata per lo studio del trasporto di cariche nell’acceleratore di MITICA e per il calcolo dei carichi termici, come illustrato nella prima parte della tesi. Inoltre, per la prima volta, l’intera sorgente chiamata NIO1 installata a RFX e costituita da nove fascetti di ioni negativi di idrogeno è stata simulata con EAMCC, considerando effetti fino ad ora non simulati, come l’interazione tra fascetti vicini, ed eliminando l’ipotesi semplificativa di campi elettrici assial-simmetrici. I risultati delle simulazioni su NIO1 verranno usati in futuro per la validazione sperimentale delle modifiche introdotte in EAMCC e sono sintetizzati sempre nella prima parte del presente lavoro di tesi. La seconda parte è invece dedicata alla tomografia del fascio che rappresenta una diagnostica importante per la misura del profilo di densità delle particelle e consente di valutare il grado di uniformità dello stesso, un requisito fondamentale per l’iniettore di neutri. In tale ambito è stato sviluppato un codice tomografico basato su diverse tecniche di ricostruzione algebriche, più indicate rispetto a tecniche basate sulla trasformata di Radon nel caso in cui il numero di rivelatori disponibile sia molto inferiore rispetto al numero di pixel del profilo ricostruito. Tale codice è stato testato su NIO1 e su MITICA con risultati promettenti. Non essendo disponibile alcuna misura sperimentale dell’emissione dei fasci di particelle, grazie alle modifiche introdotte in EAMCC è stato possibile calcolare il profilo di emissività di fotoni del fascio usato poi per il test del codice tomografico. E’ stato inoltre studiato il ruolo del rumore strumentale e il suo impatto sulle ricostruzioni tomograficche. Sono state considerate tecniche di filtraggio sia nel dominio delle frequenze spaziali sia in quello spaziale e in particolare, una tecnica usata per filtrare le immagini radar è stata adattata al caso tomografico e implementata nel codice dimostrando la possibilità di limitare fortemente l’effetto negativo del rumore sulla tomografia del fascio