Numerical and experimental studies of plasma-material interaction in linear plasma devices

Plasma-Material Interaction (PMI) is a fundamental subject to be addressed for the success of the Magnetic Nuclear Fusion programme. Research in this field led to the choice of tungsten (W) for the most critical components of the first wall (FW) of the ITER tokamak, due to its attractive thermophysical properties, such as high melting point, good thermal conductivity and low sputtering yield. However, since present-day tokamaks cannot reach the plasma parameters and conditions currently foreseen for the first-wall (FW) of ITER, there is the need to use both simulations and experiments to address PMI in ITER-relevant conditions. As regards simulations, advanced computational models have been developed in order to interpret and predict the plasma parameters in the edge of present-day tokamaks. Similar codes also exists for predicting the materials modifications due to plasma particle bombardment. From the experimental side, PMI studies in ITER-relevant conditions are usually carried on in Linear Plasma Devices (LPDs), simpler and cost-effective devices with respect to tokamaks, which are nevertheless able to produce plasmas of interest for PMI research. However, while simulations codes have been extensively applied in tokamaks, much less attention has been paid to the modelling of LPDs. The main goal of the present Ph.D. work consists in performing an integrated numerical and experimental study of PMI in LPDs. To this end, the edge-plasma code SOLPS-ITER was selected for the plasma modelling. Since this code has never been applied for plasma modelling in LPDs, a detailed analysis and interpretation of the code equations in linear geometry was carried on for the first time in this Ph.D. work. Next, a sensitivity scan on code free parameters was performed, aiming to compare simulations results with experimentally available plasma parameters measured in the LPD GyM of Istituto di Scienza e Tecnologia dei Plasmi (ISTP) - CNR. For the material side of the PMI problem, the ERO2.0 code was chosen, due to its recently-developed capabilities of simulating materials modifications down to the nanoscale. A detailed comparison of the ERO2.0 morphology evolution module with literature models was performed for the first time in this Ph.D. work. For the experimental part, the Ph.D. activites focused on the exposures of fusion-relevant W samples to D and He plasmas of the LPD GyM. The W samples were produced by Pulsed Laser Deposition and characterised before and after the exposures. The morphological modifications induced after plasma exposures are thoroughly discussed and compared with dedicated ERO2.0 numerical simulations.

L’Interazione Plasma-Materia (PMI, in breve) è un ambito di ricerca di centrale importanza per il successo della fusione a confinamento magnetico. La ricerca in quest'ultimo ambito ha portato ad identificare il tungsteno (W) come materiale di riferimento per la realizzazione delle componenti più critiche del tokamak ITER, per via delle sue eccellenti proprietà termofisiche, come l'elevata temperatura di fusione, ottima conduttività termica e bassa resa di erosione. Tuttavia, dal momento che i tokamak attuali non sono in grado di raggiungere condizioni del plasma simili a quelle previste per la prima parete di ITER, vi è la necessità di fare uso sia di simulazioni che di esperimenti allo scopo di capire l'impatto della PMI in condizioni rilevanti per ITER. Per quanto riguarda le simulazioni, sono stati sviluppati modelli computazionali avanzati allo scopo di interpretare e predire le proprietà del plasma nella regione più esterna del tokamak. Allo stesso modo, sono stati sviluppati anche codici per lo studio delle modifiche indotte sui materiali per via della loro esposizione al plasma. Per quanto concerne l'ambito sperimentale, la PMI in condizioni rilevanti per ITER viene solitamente effettata nelle macchine lineari, per via della loro maggiore semplicità e minor costo, dove è possibile raggiungere parametri di plasma di interesse per le ricerche sulla PMI. Tuttavia, mentre i codici numerici di cui si faceva menzione poco sopra sono stati estensivamente applicati per i tokamak, è emerso dallo studio di letteratura come essi siano stati scarsamente utilizzati allo scopo di modellizzare le macchine lineari. Lo scopo principale di questo progetto di dottorato, consiste nell'effettuare un indagine combinata numerica e sperimentale della PMI in macchine lineari. A questo proposito, si è utilizzato il codice di bordo plasma SOLPS-ITER per modellizare il plasma. Dal momento che questa versione del codice non è mai stata applicata prima d'ora per la modellizazione del plasma in macchine lineari, è stata effettuata per la prima volta in questo lavoro di Dottorato una preliminare analisi di interpretazione delle equazioni del codice in macchine lineari. Una volta completato questo primo passo, si è effettuata un'analisi di sensitività su alcuni dei parametri liberi del codice, allo scopo di effettuare un confronto tra l'output delle simulazioni ed profili di plasma misurati sperimentale nella macchina lineare GyM dell'Istituto di Scienza e Tecnologia dei Plasma (ISTP)-CNR. Per il lato materiale della PMI, si è scelto di fare uso del codice recentemente sviluppato ERO2.0, per via della sua capacità di modellizzare l'evoluzione della morfologia superficiale dei materiali a seguito dell'irraggiamento di plasmi. A questo proposito, è stato effettuato per la prima volta in questo lavoro di Dottorato un confronto con il modello di evoluzione morfologica correntemente implementato in ERO2.0 e altri modelli disponibili in letteratura. Per quanto riguarda le attività sperimentali, si è effettuata l'espozione di film di W a plasmi di deuterio ed elio generati nella macchina lineare GyM. Questi campioni di W sono stati prodotti facendo uso della tecnica di deposizione a laser pulsato e sono stati approfonditamente analizzati sia prima che dopo la loro esposizione. Si sono evidenziate modifiche morfologiche indotte per effetto dell'espozione al plasma, le quali sono state approfonditamente discusse e confrontate con gli output di simulazioni dedicate effettuate con il codice ERO2.0.