Advanced quasi-optical components for fusion-reactor-relevant electron cyclotron systems

This work deals with the design of a set of First Plasma Protection Components (FPPC) to be installed in ITER reactor for the first plasma operations. They allow the injection of electromagnetic waves resonant with the Electron Cyclotron (EC) frequency, needed to assist plasma breakdown. The components are two mirrors and a diffraction grating designed to redirect the EC beams coming from an upper launcher to the resonance, where they will interact with electrons causing plasma breakdown and being partially absorbed. The residual radiation is absorbed in the beam dump. In the first chapters the basic concepts of fusion energy, physics and technology of EC waves and Gaussian beam propagation theory are given, together with a general description of the FPPC and the physical and technological require-ments driving their design. The second part focuses on the tools developed for the design of the FPPC mirrors. A Matlab code has been developed to evaluate the pa-rameters of the propagating beams, including the effect of the grating after reflec-tion. The results have been used to realize a 3D model of the system in CATIA, which is a 3D CAD software widely adopted in the fusion community, to define shape, position and orientation of the mirrors and to follow the path of the beams in-side the vessel, modeling the direction of the beams according to the conical off-plane diffraction equation in the case of the grating. A tolerance analysis defined the max-imum acceptable installation errors and the accuracy of optical surfaces manufactur-ing. In the third part, the design of the beam dump is reported. A multi-bounces code based on geometrical optics has been developed to describe the propagation of the EC power inside the dump after incidence on the first spreading surface. The code allows also defining the proper absorbing coating distribution on the other plates, designed to gradually reduce the power while ensuring the safe limit of 2 MW m-2 of absorbed power density on the coated surface. Also in this case a tolerance analysis of the coat-ing distribution and of the incident beams misalignments has been carried out. The final design is compliant with all the requirements.

Il lavoro è incentrato sulla progettazione di alcuni componenti di protezione dal primo plasma che saranno installati in ITER per le operazioni di primo plasma. La loro presenza premetterà di iniettare onde elettromagnetiche in risonanza con le frequenza Ciclotronica Elettronica (CE), essenziali per assistere l’innesco del plasma. I componenti sono due specchi e un grating di diffrazione per indirizzare i fasci CE verso la risonanza nel plasma dove, interagendo con gli elettroni, saranno assorbiti cedendo potenza e innescando il plasma. La potenza residua non assorbita dal plasma sarà poi indirizzata e assorbita in un dump. Nei primi capitoli sono forniti i concetti principali riguardanti la fusione in generale, la fisica e le tecnologie per i sistemi CE a la teoria per propagazione di fasci Gaussiani nel vuoto, insieme a una descrizione generali dei componenti di protezione e i requisiti tecnologici e dettati dalla fisica per il design dei componenti. La seconda parte è incentrata sugli strumenti sviluppati per il design degli specchi. Un codice sviluppato in Matlab permette di valutare i parametri dei fasci durante la loro propagazione, includendo anche gli effetti del grating dopo la riflessione. i risultati sono poi utilizzati per realizzare un modello 3D in CATIA, un software ampiamente utilizzato nell’ambito della fusione, per definire la superficie degli specchi, la loro posizione e il loro orientamento, permettendo di seguire la propagazione dei fasci all’interno della camera da vuoto. Nel caso del grating, la propagazione dopo la riflessione è modellata utilizzando la conical off-plane diffraction equation. È stata effettuata anche un’analisi delle tolleranze per individuare dei limiti massimi per errori di installazione e di finitura delle superfici ottiche. Il design del dump è riportato nella terza parte del lavoro. Un codice multi-rimbalzo è stato svilupparo in Matlab per descrivere la propagazione delle microonde all’interno del dump in seguito alla riflessione dei fasci su una superficie disperdente. il codice permette di definire un’opportuna distribuzione di coating assorbente per ridurre gradualmente la potenza durante i rimbalzi assicurando al tempo stesso un limite di sicurezza sul picco di densità di potenza assorbita dal coating di 2 MW m-2. Anche in questo caso è stata effettuata un’analisi delle tolleranze per lo spessore del coating depositato e per il disalinneamento dei fasci incidenti. Il design finale rispetta le specifiche richieste.