Phenomenology of plasma-wall interaction using liquid metals in tokamak devices

The goal of the present thesis is to present the theoretical and experimental results concerning the use of liquid metal in tokamak devices. Most of the experimental work has been performed on FTU at the ENEA laboratories in Frascati. The main part of the work has consisted of analyzing the evolution of thermal loads, plasma contamination and plasma edge parameters variations determined by the exposure of liquid metal limiters. A radiative model is proposed to explain the vapor shield effect observed during the past experimental campaigns with the Liquid Lithium Limiter: the results of the simulations and the comparisons made with the experimental data are illustrated. Much time has been spent in the installation, debugging and exploration of two different limiters on FTU: the Cooled Lithium Limiter and the Liquid Tin Limiter. FTU was the first, and up to now unique, tokamak in the world operating with a liquid tin limiter. The results, supported by experimental data and simulations, are reported and discussed. Moreover, a comparison between lithium and tin experiments on FTU is presented. Part of the Ph.D. work has been dedicated to the study and the interpretation of the diagnostics deputy to the main plasma edge parameters measurements. Different Langmuir probes were designed and built for experiments in FTU and other devices too. The old FTU Langmuir probes acquisition system has been successfully moved to a new hardware, and a new software is now performing the data reconstruction. Another part of the work has concerned the implementation ex novo of a dedicated laboratory in Frascati focused on the liquid metal features studies, such as wettability, corrosion, and chemical-physical characteristics investigation of the fusion relevant liquid metals (lithium, gallium, and tin). A high vacuum oven was installed for this purpose, and the first test phase ended successfully. Furthermore, a small vacuum chamber was assembled allowing temperature up to 1500°C in a limited volume. This made it possible to increase the testing rate and ultimately to achieve the wetting of small-size tungsten CPS structures with both gallium and tin. In the present work an innovative tungsten coating processes, to avoid corrosion of the structural materials has been investigated. The studies conducted together with the University ”La Sapienza” and the ENEA Brasimone research center led to the validation and the realization of a solid and reliable tungsten deposit using the detonation gun machine. During the final period of the Ph.D., liquid tin samples analyses have been carried out after the plasma exposure on ISTTOK tokamak in Lisbon. The results obtained in the heat load calculation and tin effects on plasma are presented, together with a new proposal for the use of CPS-base samples. Finally, a work undertaken in collaboration with the INFN of Frascati and the CERN laboratory in Geneva is reported, regarding the possibility of using liquid lithium as a target for a particle accelerator for muon production.

Nel lavoro di tesi vengono presentati i risultati degli studi e degli sperimenti sull’utilizzo di metallo liquido in macchine tipo tokamak. La maggior parte del lavoro sperimentale è stato svolto su FTU presso i laboratori ENEA di Frascati. L’evoluzione dei carichi termici, un’analisi della contaminazione del plasma dalle impurezze prodotte dai metalli liquidi ed uno studio delle tipiche variazione dei parametri di bordo sono al centro dell’elaborato. Due diversi limiter sono stati installati sul tokamak FTU: il Cooled Lithium limitered ed il Liquid Tin Limiter. FTU è stato il primo tokamak al mondo, e fin’ora unico, ad operare con un limiter di stagno liquido. I risultati riportati e discussi nella tesi, sono corroborati da dati sperimentali e confrontati con codici di simulazione. Al lettore viene presentata una comparazione nell’utilizzo dei due diversi elementi in un tokamak. Un modello radiativo è stato proposto per spiegare le oscillazioni di temperatura misurate durante gli esperimenti. Una parte del lavoro di dottorato si è soffermata sullo studio delle tipiche diagnostiche devote alla misura dei parametri di bordo: diverse sonde di Langmuir sono state disegnate e realizzate per gli esperimenti in FTU ed in altri dispositivi. Nell’elaborato si riporta il contributo alla realizzazione di un laboratorio dedicato allo studio sul metallo liquido. La finalità è quella di poter meglio comprendere e studiare le proprietà dei metalli di interesse fusionistico, quali litio, gallio e stagno, in termini di bagnabilità, corrosione e caratteristiche chimico-fisiche. Un forno da alto vuoto è stato realizzato per permettere questi studi e la prima fase di test si è conclusa con successo. Per velocizzare e semplificare la procedura bagnamento delle spugne di tungsteno è stata utilizzata una piccola camera da vuoto in grado di arrivare a 1500°C circa. Il bagnamento di strutture CPS è stato ottenuto sia con il gallio che con lo stagno liquido, ed i parametri più importanti del processo sono stati identificati. Nell’elaborato si propone una possibile soluzione al problema della corrosione da parte dello stagno. Infatti, è stato studiato un rivestimento di tungsteno per i materiali di supporto che saranno a contatto con i metalli liquidi al fine di prevenirne la corrosione. Lo studio condotto insieme all’università ”La Sapienza” ed al centro ENEA di Brasimone, ha portato alla realizzazione di un robusto, denso e coeso rivestimento di tungsteno mediante la tecnica conosciuta come Detonation Gun. Attualmente è in corso la richesta per un brevetto di processo. La ritenzione di deuterio è stata misurata su vari campioni di stagno liquido esposti al plasma di GyM. Nel trattato si sottolinea l’importanza di queste misure nella necessità di estrapolare dei dati utili ai fini progettuali di un divertore di metallo liquido per un futuro reattore. Negli ultimi mesi del dottorato è stato svolto un lavoro sul tokamak ISTTOK di Lisbona, nella tesi si riportano i risultati ottenuti dall’analisi dei carichi termici sul campione di stagno esposto, proponendo ulteriori sviluppi per gli esperimenti futuri. Per finire, si riassume un lavoro sviluppato in collaborazione con l’INFN di Frascati ed il CERN di Ginevra, riguardo la possibilità di utilizzare litio liquido come targhetta per un acceleratore di particelle. Il progetto di un acceleratore a muoni è limitato al momento dalle modalità di produzione degli stessi. I materiali convenzionali si sono dimostrati incapaci di sopportare densità di potenza come quelle necessarie per il progetto LEMMA. La proposta del target liquido è argomentata e sviluppata nell’elaborato, un lavoro preliminare di R & D è proposto.