First Mirrors will be essential components of optical plasma diagnostics and imaging systems in fusion devices like ITER. Since FMs will directly face the thermonuclear plasma, they will be subject to different phenomena that can dramatically affect their optical properties, like intense thermal and radiation loads, erosion by plasma particle and re-deposition on their surface of material eroded elsewhere from the reactor first wall. In particular, the dramatic decrease of FMs reflectance caused by re-deposition of contaminants will reduce the performance of the corresponding diagnostic systems, having ultimate impact on the reactor safety, economics, and operations. For this reason, suitable in situ mirror cleaning solutions should be implemented in ITER and future fusion reactors. Laser cleaning technique is one of the most interesting solutions to cope with this issue. The main goal of this PhD thesis is to provide a thorough experimental investigation about the laser cleaning of diagnostic FMs in reactor-relevant conditions, making use of laboratory-scale equipment and techniques. Most of experimental activities follow an integrated approach in which Pulsed Laser Deposition technique is used to produce ITER-like rhodium coated mirrors and to deposit tailored contaminants (based on carbon, tungsten and aluminum as beryllium proxy) aimed to simulate the re-deposit expected on FMs in fusion reactors. The laser cleaning experiments are carried out on the contaminated mirrors with a fast cleaning procedure that is potentially scalable to a reactor environment. The cleaning parameters are tuned to achieve the best reflectance recovery for each kind of contamination, preserving at the same time the mirror integrity. The laser cleaning performance is also experimentally compared to that of plasma cleaning technique, the most studied alternative for the cleaning of FMs in ITER. The results presented in this thesis can provide valuable insights about the physics of the laser cleaning process and its feasibility as a solution for the cleaning of diagnostic first mirrors in nuclear fusion machines.

Gli specchi di prima parete (FM, dall’inglese First Mirrors) saranno componenti essenziali dei sistemi di diagnostica del plasma presenti nelle macchine di ricerca per la fusione nucleare, quali il reattore ITER. Dal momento che i FMs si affacceranno direttamente al plasma termonucleare, essi saranno soggetti a numerosi fenomeni che possono alterare notevolmente le loro proprietà ottiche, quali intensi carichi termici e radioattivi, l’erosione dovuta al bombardamento di particelle del plasma e la rideposizione sulla loro superficie di materiale eroso dalla prima parete del reattore. In particolare, la drastica riduzione della riflettanza dei FM dovuta alla rideposizione di contaminanti ridurrà le prestazioni dei corrispondenti sistemi diagnostici, impattando negativamente sulla sicurezza e le funzionalità del reattore. Per questo motivo, opportune soluzioni di pulizia in situ degli specchi dovranno essere sviluppate in ITER e nei futuri reattori a fusione. La tecnica della pulizia mediante impulsi laser (laser cleaning in inglese) `e una delle soluzioni più studiate per fronteggiare questo problema. L’obiettivo principale di questa tesi di dottorato è quello di fornire un’ approfondita indagine sperimentale sulla pulizia mediante impulsi laser (laser cleaning ) di specchi diagnostici in condizioni rilevanti per l’applica- zione in reattore, avvalendosi di attrezzature e tecniche alla scala del laboratorio. La maggior parte delle attività sperimentali segue un approccio sinergico, in cui si utilizza la tecnica della deposizione laser pulsata (PLD) per produrre specchi rivestiti in rodio simili a quelli previsti per ITER, e a depositare sulla loro superficie dei contaminanti (a base di carbonio, tungsteno e alluminio, quest’ultimo in sostituzione del berillio) volti a replicare le caratteristiche dei materiali che si ritiene potranno ridepositarsi sugli specchi di prima parete in un reattore. Gli esperimenti di laser cleaning sugli specchi cos`ı contaminati sono svolti grazie ad una procedura di pulizia rapida e potenzialmente scalabile all’ ambiente-reattore. I parametri di pulizia sono stati ottimizzati per ottenere il miglior recupero riflettan- za per ciascun tipo di contaminazione, avendo cura al tempo stesso di preservare l’integrità dello specchio. Le prestazioni garantite dalla tecnica del laser cleaning sono state paragonate sperimentalmente a quelle offerte dalla tecnica del laser cleaning, che rappresenta l’alternativa più studiata per quanto riguarda la pulizia degli specchi diagnostici di ITER. I risultati presentati in questa tesi possono fornire utili informazioni utili riguardo la fisica e l’ottimizzazione del processo di laser cleaning, nonchè circa la sua fattibilità come soluzione per la pulizia degli specchi di prima parete in macchine per la fusione nucleare.

Laser cleaning of diagnostic first mirrors for nuclear fusion machines

MAFFINI, ALESSANDRO

Abstract

First Mirrors will be essential components of optical plasma diagnostics and imaging systems in fusion devices like ITER. Since FMs will directly face the thermonuclear plasma, they will be subject to different phenomena that can dramatically affect their optical properties, like intense thermal and radiation loads, erosion by plasma particle and re-deposition on their surface of material eroded elsewhere from the reactor first wall. In particular, the dramatic decrease of FMs reflectance caused by re-deposition of contaminants will reduce the performance of the corresponding diagnostic systems, having ultimate impact on the reactor safety, economics, and operations. For this reason, suitable in situ mirror cleaning solutions should be implemented in ITER and future fusion reactors. Laser cleaning technique is one of the most interesting solutions to cope with this issue. The main goal of this PhD thesis is to provide a thorough experimental investigation about the laser cleaning of diagnostic FMs in reactor-relevant conditions, making use of laboratory-scale equipment and techniques. Most of experimental activities follow an integrated approach in which Pulsed Laser Deposition technique is used to produce ITER-like rhodium coated mirrors and to deposit tailored contaminants (based on carbon, tungsten and aluminum as beryllium proxy) aimed to simulate the re-deposit expected on FMs in fusion reactors. The laser cleaning experiments are carried out on the contaminated mirrors with a fast cleaning procedure that is potentially scalable to a reactor environment. The cleaning parameters are tuned to achieve the best reflectance recovery for each kind of contamination, preserving at the same time the mirror integrity. The laser cleaning performance is also experimentally compared to that of plasma cleaning technique, the most studied alternative for the cleaning of FMs in ITER. The results presented in this thesis can provide valuable insights about the physics of the laser cleaning process and its feasibility as a solution for the cleaning of diagnostic first mirrors in nuclear fusion machines.
BOTTANI, CARLO ENRICO
LUZZI, LELIO
DELLASEGA, DAVID
15-dic-2015
Gli specchi di prima parete (FM, dall’inglese First Mirrors) saranno componenti essenziali dei sistemi di diagnostica del plasma presenti nelle macchine di ricerca per la fusione nucleare, quali il reattore ITER. Dal momento che i FMs si affacceranno direttamente al plasma termonucleare, essi saranno soggetti a numerosi fenomeni che possono alterare notevolmente le loro proprietà ottiche, quali intensi carichi termici e radioattivi, l’erosione dovuta al bombardamento di particelle del plasma e la rideposizione sulla loro superficie di materiale eroso dalla prima parete del reattore. In particolare, la drastica riduzione della riflettanza dei FM dovuta alla rideposizione di contaminanti ridurrà le prestazioni dei corrispondenti sistemi diagnostici, impattando negativamente sulla sicurezza e le funzionalità del reattore. Per questo motivo, opportune soluzioni di pulizia in situ degli specchi dovranno essere sviluppate in ITER e nei futuri reattori a fusione. La tecnica della pulizia mediante impulsi laser (laser cleaning in inglese) `e una delle soluzioni più studiate per fronteggiare questo problema. L’obiettivo principale di questa tesi di dottorato è quello di fornire un’ approfondita indagine sperimentale sulla pulizia mediante impulsi laser (laser cleaning ) di specchi diagnostici in condizioni rilevanti per l’applica- zione in reattore, avvalendosi di attrezzature e tecniche alla scala del laboratorio. La maggior parte delle attività sperimentali segue un approccio sinergico, in cui si utilizza la tecnica della deposizione laser pulsata (PLD) per produrre specchi rivestiti in rodio simili a quelli previsti per ITER, e a depositare sulla loro superficie dei contaminanti (a base di carbonio, tungsteno e alluminio, quest’ultimo in sostituzione del berillio) volti a replicare le caratteristiche dei materiali che si ritiene potranno ridepositarsi sugli specchi di prima parete in un reattore. Gli esperimenti di laser cleaning sugli specchi cos`ı contaminati sono svolti grazie ad una procedura di pulizia rapida e potenzialmente scalabile all’ ambiente-reattore. I parametri di pulizia sono stati ottimizzati per ottenere il miglior recupero riflettan- za per ciascun tipo di contaminazione, avendo cura al tempo stesso di preservare l’integrità dello specchio. Le prestazioni garantite dalla tecnica del laser cleaning sono state paragonate sperimentalmente a quelle offerte dalla tecnica del laser cleaning, che rappresenta l’alternativa più studiata per quanto riguarda la pulizia degli specchi diagnostici di ITER. I risultati presentati in questa tesi possono fornire utili informazioni utili riguardo la fisica e l’ottimizzazione del processo di laser cleaning, nonchè circa la sua fattibilità come soluzione per la pulizia degli specchi di prima parete in macchine per la fusione nucleare.
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