Magnetic field sensors suitable for high temperature and vacuum operations and for remote handling in harsh environment

In the context of the alternative technologies for energy production, nuclear fusion is the most promising in order to reduce global dependence on fossil fuels such as oil and coal. Fusion research aims at developing a new energy source in the medium term and it should be engineered in the second half of this century, coming alongside the current technologies. Research on tokamak such as JET and ITER (DEMO in the future), based on the plasma confinement through the use of magnetic fields, is at present the most promising and should provide important results in the coming two decades. In this context magnetic diagnostics are of great importance, providing key information on the confinement of high temperature plasma and allowing an active control on the position and shape of the plasma itself. This work deals with the design, development and production of magnetic sensors, suitable for operation in hostile environments such as the ITER vacuum vessel. These sensors are designed to withstand high temperatures and intense neutron irradiation and have to be installed behind the plasma first wall, in contact to the vessel. These sensors have been built in order to measure magnetic fields having a frequency between 50Hz and 10 kHz. This work is structured as follows: • Chapter 1 provides an overview of the energy problem and describes the theoretical basis of nuclear fusion • Chapter 2 introduces the importance of the magnetic diagnostic in the thermonuclear fusion research and lists the sensors used in existing machines (JET, RFX-mod, JT60), with a focus on the issues related to ITER • Chapter 3 describes the development and construction of a new type of sensor built using the LTCC technology. This chapter lists the tests and the micrographic analysis carried out upon these new sensors • Chapter 4 describes the development and construction of a new sensor formed by a copper wire with fiberglass insulation (called POZh) wound on a metallic reel • Chapter 5 describes the design of the platform necessary to support these sensors (LTCC/POZh) within the ITER vacuum vessel

Nell’ambito delle tecnologie alternative per la produzione di energia la fusione termonucleare controllata appare la più promettente allo scopo di diminuire la dipendenza mondiale dai combustibili fossili quali il petrolio e il carbone. La ricerca sulla fusione mira allo sviluppo di una nuova fonte energetica nel medio termine e dovrebbe trovare ingegnerizzazione nella seconda metà di questo secolo, affiancando le attuali tecnologie. La ricerca sui tokamak quali JET e ITER e il futuro DEMO, basata sul confinamento del plasma attraverso l’utilizzo di campi magnetici, appare allo stato attuale la più promettente e dovrebbe fornire risultati importanti già nei prossimi due decenni. Nell’ambito della fusione termonucleare controllata grande importanza rivestono le diagnostiche magnetiche, che forniscono informazioni fondamentali sullo stato del plasma e permettono un controllo attivo sulla posizione e la forma dello stesso. Questa tesi si occupa dell’ideazione, sviluppo e produzione di due nuove tipologie di sensori magnetici, adatti al funzionamento in ambienti ostili quali l’interno della camera da vuoto (vessel) di ITER. Tali sensori sono stati ideati per resistere ad alte temperature e ad intensi bombardamenti neutronici e dovranno essere installati dietro la prima parete del vessel, a contatto dello stesso. Si tratta di sensori per campi magnetici aventi una frequenza compresa tra 0.001Hz e 10kHz. La tesi è così strutturata: • Il capitolo 1 fornisce una visione di massima sul problema energetico e descrive i rudimenti teorici della fusione nucleare • Il capitolo 2 introduce il problema delle diagnostiche magnetiche elencando i tipi di sensori utilizzati in macchine esistenti (JET, RFX-mod, JT60), con un approfondimento delle problematiche relative ad ITER • Il capitolo 3 descrive lo sviluppo e la produzione di diversi set di sensori costruiti utilizzando la tecnologia LTCC. Tale capitolo elenca i test e le analisi micrografiche effettuate • Il capitolo 4 descrive lo sviluppo e la costruzione di una serie di sensori costruiti mediante la tecnologia del cavo avvolto usando cavi in rame con isolamento in fibra di vetro denominati POZh • Il capitolo 5 descrive il progetto di una struttura necessaria al supporto di tali sensori (LTCC/POZh) all’interno del vessel di ITER