Design of electric and magnetic components of a negative ion accelerator in view of application to ITER Neutral Beam Injectors

The work of this PhD thesis has been developed inside the framework of magnetic confinement thermonuclear fusion and is connected in particular to the major worldwide experiment in this context, the future tokamak ITER. A very important component of ITER and of tokamaks in general is the Neutral Beam Injector (NBI), a device whose purpose is the production of an energetic beam of neutral particles capable to sustain the fusion reactions inside the reactor vessel. The prototype of the NBI for ITER, called MITICA, has been designed and will be constructed at Consorzio RFX, Padua, and its main requirement is the achievement of a Deuterium beam with 1 MeV of energy, 17 MW of power and 3600 s of duration. This thesis is focused on the design of one of the crucial components of MITICA, the electrostatic accelerator, in which the electric and magnetic fields play a decisive role in determining the final performances. The work developed is chronologically collocated during the final three years of MITICA accelerator design, which is now finished. The design activities carried out on electric and magnetic components of MITICA accelerator will be here presented together with the results of the experimental activities on prototypes and other existing accelerators. A chapter will be dedicated to the results of code improvement activities. This work can be read as the closure of MITICA accelerator design, in which all the remaining design issues have been faced and solved, and the operating scenario has been finalized.

I contenuti di questa tesi di dottorato sono stati sviluppati nell'ambito della fusione termonucleare a confinamento magnetico, e sono connessi in particolare al maggiore degli esperimenti in questo campo a livello mondiale, il futuro tokamak ITER. Un componente molto importante di ITER e dei tokamak in genere è l’iniettore di neutri, un dispositivo il cui scopo è produrre un fascio di particelle neutre ad alta energia in grado di sostenere le reazioni di fusione all'interno della camera di reazione. Il prototipo degli iniettori di ITER, chiamato MITICA, è stato progettato e sarà costruito presso il Consorzio RFX a Padova, e il suo obiettivo principale è il conseguimento di un fascio di Deuterio con energia di 1 MeV, potenza di 17 MW e durata di 3600 s. Questa tesi è incentrata sul progetto di uno dei componenti fondamentali di MITICA, l’acceleratore elettrostatico, nel quale i campi elettrici e magnetici giocano un ruolo chiave nel determinarne le prestazioni. Il lavoro sviluppato si colloca cronologicamente durante i tre anni finali del progetto dell’acceleratore di MITICA, che è adesso concluso. Le attività di progetto svolte su componenti elettrici e magnetici dell’acceleratore di MITICA saranno qui presentate assieme ai risultati delle attività sperimentali svolte su prototipi o altri acceleratori esistenti. Un capitolo a parte sarà dedicato ai risultati delle attività di sviluppo codici. Questo lavoro può essere letto come la chiusura del progetto dell’acceleratore di MITICA, in cui i problemi ancora aperti sono stati affrontati e risolti, e in cui lo studio dello scenario operativo è stato completato.