Study, development and analysis of In-vessel pick-up coil sensors for ITER magnetic diagnostic and n & gamma detection in fusion plasmas

The research work described in this thesis has been dedicated to the subject of the magnetic diagnostic for ITER and neutron & y-ray detection for the RFX experiment. The main topic has been focused on the design of a novel concept of magnetic pick-up coil, based on the Low- Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) technology, which had been proposed during the conceptual design phase for the ITER in-vessel magnetic diagnostic system. The design has been developed up to the preliminary design level in the framework of an international collaboration, led by Consorzio RFX and supported by the European Agency Fusion for Energy (F4E) and by ITER Organization (ITER-O). The activities carried out during the doctoral period concerned several aspects of plasma diagnostic design: from thermo-mecanical to neutronic numerical analyses; from vacuum technology studies to the setting-up and execution of thermo-electrical tests on sensor prototypes. In the final part of the doctoral period the competence gained has been applied to the setting-up and the exploitation of a neutron and photon detection system for RFX-mod. The major results obtained in the various thematic areas are described in the following chapters: Theoretical framework and background (Chapters 1, 2 and 3): In these chapters, after a basic introduction about fusion science, the theoretical bases and the main arguments that motivated this study are described, with specific emphasis on magnetic diagnostics. This phase is supported by an extensive literature review and a summary of results from previous R&D activities on pick-up coils based on Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) technology, which lead to the design of a new set of prototypes improved in order to achieve the ITER requirements. LTCC sensor prototypes characterization (Chapter 4): This chapter describes a series of tests to characterize the magnetic sensor prototypes, developed in order to finalize the detailed design of sensors for ITER magnetic diagnostic. For this purpose a formal test protocol for a full characterization of the sensors is reported. In particular these tests have been focused on dimensional and planarity analysis, electrical, magnetic and thermo-electrical characterization, executed on a new set of 40 LTCC sensor prototypes (third generation). Vacuum compatibility (Chapter 5): This chapter describes the main issues related to the vacuum compatibility of the in-vessel components, such as magnetic sensors. The design proposal of a test rig for outgassing rate measurements has been developed. A detailed description of the system, cost estimation and CAD assembly design is reported. Mechanical sensor assembly (Chapter 6): This chapter describes the thermo-mechanical aspects related to the support structure designed to attach the sensors inside the vacuum vessel. Several topics have been investigated with proper thermo-mechanical fem analyses and experimental tests, such as: assessment of temperature gradients within sensor assembly, to minimize possible measurement noise due to thermoelectric sensitivity; mechanical optimization of stress and deformation induced by welding; technical feasibility study for a suitable method of welding for LTCC electrical connections. Simulations of LTCC sensors under n irradiation (Chapter 7): This chapter is focused on the estimation of the nuclear heat [W/cm^3 ] induced by neutron reactions within LTCC sensors, considering a set of expected neutron flux spectra [n/cm^2/s] under the Blanket modules of ITER. For this propouse a set of Monte Carlo neutron interaction simulations have been carried out using a detailed model of the sensor and two potential locations for installation. RFX-mod as n and gamma source (Chapter 8): This chapter summarises the activities of installation of two scintillator detectors (Nal Scintillator and NE213 Liquid Scintillator) executed during the experimental campaign (January-September 2014) at RFX experiment, as part of the first experimental measurements of neutron and photon production in RFX-mod deuterium plasmas. A total of 1185 shots have been monitored over 7 months of experimental campaign, background particle detection and magnetic shielding, as well as data acquisition and calibration issues are reported

Il lavoro di ricerca descritto in questa tesi è stato dedicato al tema della diagnostica magnetica per ITER e alla rivelazione dei neutroni e dei raggi gamma nell'esperimento RFX-mod. L'obiettivo principale è stato il disegno di un nuovo concetto di bobine pick-up, basate sulla tecnologia Low-Temperature Co-fired Ceramic (LTCC), che è stata proposta nella fase concettuale del disegno per il sistema diagnostico magnetico di vuoto di ITER. Il disegno, nella fase preliminare è stato sviluppato nell'ambito di una collaborazione internazionale, diretta dal consorzio RFX e finanziata dall'agenzia europea Fusion for Energy (F4E) e dall'organizzazione ITER. Le attività realizzate durante il periodo di dottorato si sono concentrate sui vari aspetti del disegno dei sistemi di diagnostico in plasma, come l'analisi termico-meccanica, l'interazione neutronica, il disegno dei sistemi di vuoto e le prove termoelettriche in sensori prototipo. Nella fase finale del dottorato le abilità e conoscenze acquisite sono state applicate all'installazione e all'operazione di un sistema per la rivelazione di neutroni e fotoni in RFX-mod. I risultati più importanti ottenuti nei diversi argomenti studiati sono descritti nei seguenti capitoli: Parte teorica e contesto della tesi (Capitoli 1, 2 e 3): In questi capitoli, dopo una descrizione basilare della fusione nucleare, le basi teoriche e gli argomenti principali che hanno motivato questa ricerca sono descritti, con un'enfasi specifica sulla diagnostica magnetica. Lo studio riportato in questa parte è supportato dalla consultazione di una estesa letteratura riguardo ai lavori teorici e tecnici realizzati precedentemente nel disegno e nello sviluppo di bobine magnetiche basate sulla tecnologia LTCC, che ha condotto al disegno di un nuovo gruppo di prototipi, migliorati per soddisfare i requisiti di ITER. Caratterizzazione dei sensori prototipo (Capitolo 4): Questo capitolo descrive una serie di prove per la caratterizzazione dei sensori prototipo, sviluppati con lo scopo di elaborare un disegno dettagliato per il sistema magnetico di ITER. Per raggiungere questo obiettivo si è creato un protocollo formale delle prove necessarie per la caratterizzazione totale dei sensori. Nello specifico, queste prove sono state concentrate sull'analisi della planarità, delle dimensioni fisiche, delle caratteristiche elettriche magnetiche e termoelettriche di quaranta sensori prototipo (terza generazione). Compatibilità con vuoto (Capitolo 5): In questo capitolo sono descritti i principali poblemi legati alla compatibilità dei componenti in vuoto, come nel caso dei sensori magnetici. `E avanzata una proposta di disegno di un sistema di prova per la misurazione del degasamento. Viene presentata inoltre una dettagliata descrizione del sistema in CAD, e la stima del costo. Assemblaggio meccanico del sensore (Capitolo 6): In questo capitolo vengono descritti gli aspetti legati all'analisi termomeccanica del supporto del sensore dentro la camera di vuoto di ITER. Vari argomenti sono stati studiati con adeguate simulazioni FEM. Per prima cosa si è valutato il gradiente di temperatura dentro il corpo del sensore, per minimizzare la misurazione del rumore di fondo dovuto alla sensibilità termica; in seguito si è ottimizzato lo stress indotto dalla saldatura; infine si è studiata la fattibilità tecnica dell'applicazione dei metodi per saldatura delle connessioni elettriche del sensore. Simulazioni dei sensori LTCC sotto radiazione neutronica (Capitolo 7): Questo capitolo è dedicato alla valutazione della potenza nucleare indotta [W/cm^3 ] dalle interazioni neutroniche dentro il sensore LTCC, considerando un gruppo di spettri neutronici [n/cm^2 /s] tipico del blanket di ITER. Questo studio consiste nella realizzazione di una serie di simulazioni di interazione neutronica, basate sul metodo Monte Carlo, utilizzando un modello dettagliato del sensore e due potenziali ubicazioni per l'installazione. RFX-mod come fonte di neutroni e raggi gamma (Capitolo 8): Questo capitolo riassume le attività realizzate durante l'installazione e l'operazione di due rivelatori a scintillio (Nal Scintillator e NE213 Liquid Scitillator) nel periodo della sessione sperimentale (gennaio-settembre 2014) di RFX-mod. Questo esperimento rappresenta la fase iniziale nella rivelazione dei neutroni e nella produzione di fotoni in plasma di deuterio in RFX-mod. Un totale di 1185 impulsi sono stati analizzati nei sette mesi di sessione sperimentale: è stato misurato il fondo di emissione neutronica, si è discusso il blindaggio magnetico e sono stati inoltre studiati e documentati problemi di calibrazione e acquisizione dei dati