Interaction between fusion-like boundary plasmas and nanostructured tungsten

Understanding and controlling plasma-surface interaction will be essential for the success of future nuclear fusion systems. In this respect, both theoretical and experimental efforts are needed. Computational edge plasma models have been extensively applied for the design of critical components (such as the divertor targets) of ITER, where heat fluxes are foreseen to reach values that cannot be obtained in any of the present-day tokamaks. For this reason, the experimental investigations of plasma facing components (PFCs) modifications in plasma conditions that will be present at the ITER first wall can be, at present, only performed in linear plasma devices. One of the open problems which can be investigated with these machines regards the interaction of PFCs with energetic charge-exchange neutrals at the main chamber of ITER. In this respect, the linear machine GyM available at Istituto di Fisica del Plasma (IFP-CNR) represents an excellent candidate. This Thesis had a twofold goal, one numerical and the other experimental. The numerical part focused on the study and application of computational models that are employed for the simulation of edge plasmas in tokamaks and, specifically, to the SOLPS code. In spite of their importance in the investigations of plasma-material interaction, these codes have been seldom applied to linear plasma devices. The main goal for this part of the Thesis consisted therefore in the application of SOLPS to the linear machine GyM, with the aim to reproduce the experimentally observed plasma parameters. The experimental part focused on the exposure of non-conventional nanostructured coatings to the deuterium plasma produced in the linear machine GyM, aiming to study the surface modifications and erosion due to the action of the plasma. Non-conventional nanostructured tungsten films were produced via the Pulsed Laser Deposition (PLD) technique, which allows film morphology and nanostructure control by suitably changing the process parameters.

Lo studio ed il controllo dell'interazione plasma-materia sarà essenziale per il successo di futuri sistemi per la fusione nucleare. A questo proposito, è fondamentale fare uso sia di strumenti teorico-numerici che sperimentali. In particolare, modelli computazionali del plasma di bordo sono stati estensivamente applicati per la fase di progettazione di alcune componenti critiche in ITER, dove sono previsti flussi di calore che non sono mai stati raggiunti in altri tokamaks. Per questo motivo, lo studio sperimentale delle modifiche indotte sui materiali di prima parete (PFC) nelle condizioni di plasma previste sulla prima parete di ITER può, al giorno d'oggi, essere effettuato unicamente nelle macchine lineari. Uno dei problemi aperti che può essere studiato con queste macchine consiste nell'interazione tra i PFC e le particelle neutre ad alta energia prodotte a seguito di reazioni di scambio di carica in corrispondenza della camera principale in ITER. A questo proposito, la macchina lineare GyM dell'Istituto di Fisica del Plasma (IFP-CNR) rappresenta un'eccellente candidata. Questa Tesi ha un duplice obiettivo, uno sperimentale e l'altro numerico. La parte numerica della Tesi ha consistito nello studio e nella applicazione dei modelli computazionali disponibili per la simulazione del plasma di bordo nei tokamak, con particolare attenzione al codice SOLPS. Nonostante la loro importanza per lo studio sperimentale dell'interazione plasma-parete, questi codici sono stati scarsamente impiegati per la simulazione di macchine lineari. Per questo motivo, l'obiettivo principale dell'attività numerica ha consistito nall'applicazione di SOLPS a GyM, con lo scopo di riprodurne i principali parametri del plasma. La parte sperimentale della Tesi ha consistito nell'esposizione di campioni non convenzionali di tungsteno nanostrutturato al plasma di deuterio di GyM, con lo scopo di studiare le modifiche di superficie e l'erosione dovuta all'azione del plasma. I film di tungsteno nanostrutturato sono stati prodotti per mezzo della Deposizione Laser Pulsata (PLD), che consente di controllarne la morfologia e la nanostruttura tramite una scelta opportuna dei parametri di processo.