Modelling of plasma facing component thermal response to runaway electron impact

The achievement of limitless clean energy production by means of nuclear fusion has fascinated the scientific community for more than half a century. Decades of combined theoretical and experimental work have been dedicated to confine a plasma in which the fusion reactions are self-sustained; facing and suddenly overcoming some of the most arduous challenges ever taken on. With the upcoming realization of the ITER project, mankind has never been so close to succeed, despite many technical and engineering problems awaiting to be solved. Among those, runaway electrons represent one of the most biggest threats to the integrity of the plasma facing components of tokamak fusion devices. In fact, these high energy electron beams, generated in the course of the evolution of plasma instabilities, eventually impact the containing vessel leading to extreme heating and strong temperature gradients. The kinetic energy of runaway electrons is large enough to guarantee deep penetration and volumetric energy deposition. Deep melting, splashing or explosive material detachment might follow seriously compromising the life-time and power handling capabilities of these sensitive components. This thesis project aims at developing a rigorous flexible tool to simulate, through MonteCarlo (MC) transport methods, runaway electron energy deposition inside condensed matter. The physics involved in describing the interactions of primary and secondary particles is intricate and therefore deserves a proper validation activity against the most accurate experimental data to avoid inaccuracies. In parallel to the benchmarking tests, applications to real case scenarios are presented, which concern the controlled exposure of a graphite dome to runaway electrons produced in the DIII-D tokamak. In particular, the consistency of the predicted temperature profile and vaporization losses with experimental observations is reported.

L’idea di produrre energia pulita e rinnovabile tramite la reazione fisica nota come fusione nucleare ha affascinato la comunità scientifica ormai per più di metà secolo, rappresentando una delle più ambite soluzioni al problema dell’approvvigionamento energetico. Per decenni molteplici campagne sperimentali si sono susseguite con lo scopo di realizzare macchine per il confinamento del plasma e la creazione di un sistema auto sostenibile di reazioni di fusione, affrontado sfide tecnologiche tra le più ardue mai intraprese. Con l’imminente realizzazione del progetto ITER, l’uomo non è mai stato così vicino al raggiungimento di tale obiettivo, nonostante le complessità ingegnerestiche da risolvere siano ancora numerose. Tra queste, il problema dei runaway electrons rappresenta uno degli ostacoli maggiori nella realizzazione dei componenti strutturali che confinano il plasma nelle macchine con configurazione a tokamak. Infatti, fasci di particelle cariche ad alte energie, generati a seguito di instabilità nel plasma, rischiano di impattare sui materiali da confinamento, causando notevoli carichi termici e gradienti di temperatura. La componente cinetica di questi elettroni è elevata a tal punto da penetrare nel profondo richiedendo un’analisi 3D per comprendere come l’energia sia depositata. Tra le principali conseguenze si trovano lo scioglimento, l’esplosione o l’evaporazione con il rischio di compromettere irrimediabilmente la vita di questi delicati componenti. Questo progetto di tesi si pone l’obiettivo di sviluppare uno strumento rigoroso ma flessibile, basato su metodi Monte-Carlo, per simulare il trasporto di elettroni ad alte energie all’interno della materia solida, prevedendo una mappa di energia depositata tridimensionale. La fisica che descrive interazioni di particelle primarie e secondarie risulta vasta e complicata, richiedendo pertanto un opportuno lavoro di validazione, tramite confronto con i più affidabili dati sperimentali presenti in letteratura. In parallelo a questa attività di benchmarking, vengono presentate anche applicazioni a casi concreti, con lo scopo di ottenere profili di temperature e stime di perdite per evaporazione, in particolare relativamente al campione di grafite esposto al plasma del tokamak DIII-D.