Erosion and migration properties of helium plasmas in linear machines : a coupled SOLPS-ITER and ERO2.0 investigation

In the next future, in order to achieve the production of energy by means of magnetically confined nuclear fusion in tokamaks, one of the fundamental aspects to understand and control is the plasma-wall interaction. The name of plasma-wall interaction refers to a very wide range of physical processes and consequently there are many areas of research that deal with specific aspects of this vast topic. One of these is certainly the study of plasma exposures in fusion like conditions by using linear plasma machines. These machines allow to generate plasmas with characteristics similar to those of the future reactors. Thanks to their versatility, relative low costs and greater simplicity of design than tokamaks, they play a significant role in the experimental research of plasma-wall interaction. To study the interaction of materials with plasma, for example, it is possible to generate in linear machines thermonuclear fusion plasmas, then directed on samples of material whose behavior is to be tested. In particular, there is great interest in the research of materials such as tungsten, which can constitute the divertor of fusion reactors. Another direction of plasma-wall interaction research, which takes place in parallel with the experimental activity, is the coding activity. Each numerical code is written for the purposes of modeling the research field in which it is placed and each code has been developed with specific purposes and intentions. Each code has specific strengths but it is necessary to keep in mind the application limits. The application of numerical codes to the context of tokamaks is certainly the common approach in the literature, but recently the option of applying numerical codes for linear machine studies has also been evaluated. In fact, a method has recently been implemented for the application of the SOLPS-ITER plasma edge code, to the context of the simpler cylindrical geometry of the linear machine. This adaptation made it possible to combine the coding activity of SOLPS-ITER with the experimental one also in the field of linear machines. The motivations and aims of this thesis work arose in this framework. The final goal was to couple the SOLPS-ITER plasma edge code with the ERO2.0 code for the study of erosion and eroded impurities transport in the plasma, in the context of helium plasmas in the GyM linear machine. We remark that a coupled simulation of this type in the context of linear plasma devices has not yet been published in the literature.

Nel prossimo futuro, al fine di ottenere la produzione di energia mediante fusione nucleare confinata magneticamente nei tokamak, uno degli aspetti fondamentali per comprendere e controllare è l'interazione plasma-parete. Il nome di interazione plasma-parete si riferisce ad una gamma molto ampia di processi fisici e di conseguenza ci sono molte aree di ricerca che trattano aspetti specifici di questo vasto argomento. Uno di questi è sicuramente lo studio delle esposizioni al plasma in condizioni di fusione utilizzando macchine lineari. Queste macchine permettono di generare plasmi con caratteristiche simili a quelle dei futuri reattori. Grazie alla loro versatilità, ai costi relativamente bassi e alla maggiore semplicità di progettazione rispetto ai tokamak, svolgono un ruolo significativo nella ricerca sperimentale dell'interazione plasma-parete. Per studiare l'interazione dei materiali con il plasma, ad esempio, è possibile generare in macchine lineari plasmi a fusione termonucleare, quindi diretti su campioni di materiale di cui si vuole testare il comportamento. In particolare, c'è grande interesse per la ricerca di materiali come il tungsteno, che possono costituire il deviatore dei reattori a fusione. Un'altra direzione della ricerca sull'interazione plasma-parete, che si svolge parallelamente all'attività sperimentale, è l'attività codicistica. Ogni codice numerico è scritto allo scopo di modellare il campo di ricerca in cui si colloca ed ogni codice è stato sviluppato con finalità e intenzioni ben precise. Ogni codice ha punti di forza specifici ma è necessario tenere presenti i limiti di applicazione. L'applicazione di codici numerici al contesto dei tokamak è certamente l'approccio comune in letteratura, ma recentemente è stata valutata anche la possibilità di applicare codici numerici per studi di macchine lineari. Recentemente, infatti, è stato implementato un metodo per l'applicazione del codice di bordo plasma SOLPS-ITER, al contesto della semplice geometria cilindrica della macchina lineare. Tale adattamento ha permesso di combinare l'attività di codifica di SOLPS-ITER con le attività sperimentali anche nel campo delle macchine lineari. Le motivazioni e gli obiettivi di questo lavoro di tesi sono sorte in questo quadro. L'obiettivo finale è stato quello di accoppiare il codice di bordo plasma SOLPS-ITER con il codice ERO2.0 per lo studio del trasporto di impurezze erose ed erose nel plasma, nel contesto dei plasmi di elio nella macchina lineare GyM. Si segnala che una simulazione accoppiata di questo tipo nell'ambito dei dispositivi al plasma lineari non è stata ancora pubblicata in letteratura.