Impact of inter-pulse wall outgassing on ITER plasma start-up

Tokamaks are a promising technology that could provide baseload clean electricity in the future exploiting nuclear fusion as energy source. The device consists of a toroidal chamber where magnetic fields are used to confine a high temperature plasma where the reaction happens. Tokamaks are pulsed machines, they cannot operate continously. A potential limiting factor for the inter-pulse waiting time is the process of outgassing, the thermal desorption of particles from the wall which were previously implanted during plasma operation. The released gas creates an overpressure in the reactor that hampers the vacuum conditions needed for plasma start-up. The hydrogen pressure needs to be below a certain threshold, 0.5 mPa for ITER. The objective of this thesis is studying the reasons for different outgassing conditions at JET, in order to have an estimate of the dwell-time at ITER. This is first addressed with an experimental method. Correlations are found between the pressure values at different times after a JET discharge with pulse parameters. A positive correlation is found with energy and background pressure, the latter meaning that the outgassing depends on previous pulses through a memory effect. The time evolution of the pressure is studied and compared with literature, finding a more accurate way to describe it mathematically. Finally, a detailed analysis of specific experiments confirmed that a memory effect exists and depends on temperature increase and progressive loading of the wall during consecutive shots. The impact of disruptions and plasma configuration is also clearly observed. A physical modelling approach is then taken to reproduce the experimental observations, using the simulation code MHIMS. The PFCs of JET are modeled and a series of plasma shots with inter-pulse outgassing are simulated. The pressure obtained from the simulation agrees with experimental data and the memory effect is correctly reproduced. Finally, the physical model is extrapolated to ITER, adapting the surfaces involved and the input operational data. The simulation of consecutive shots is run for ITER and an estimate for the pressure curve during dwell-time is obtained. The results agree with previous literature and find that in 10 to 15 min, increasing with consecutive shots, the hydrogen pressure will be low enough. This proves that outgassing will not impose a strong limitation to dwell-time. Other constraints on plasma start-up such as impurity concentration may be the limiting factor.

I tokamak sono una promettente tecnologia che in futuro potrebbe fornire elettricità pulita sfruttando la fusione nucleare come fonte di energia. Il reattore consiste in una camera toroidale dove dei campi magnetici confinano un plasma ad alta temperatura, in cui avviene la reazione. I tokamak sono reattori ad impulso, la reazione non può avvenire continuamente. Un potenziale fattore limitante per il tempo di attesa tra due impulsi consecutivi è il desorbimento termico dalle pareti di atomi precedentemente impiantati durante il plasma. Il rilascio di gas crea una sovrappressione nel reattore che compromette la condizione di vuoto necessaria per il successivo avvio del plasma. La pressione parziale dell'idrogeno deve essere infatti inferiore a una certa soglia, di 0.5 mPa per ITER. L'obiettivo di questa tesi è studiare le cause di diverse condizioni di desorbimento in JET, con il fine di ottenere una stima del tempo di attesa in ITER. Il primo approccio utilizzato è sperimentale. Vengono trovate correlazioni tra la pressione dopo un impulso in JET e diversi parametri del plasma. La pressione risulta positivamente correlata con l'energia immessa nel plasma e la pressione di base nel reattore, dimostrando che il desorbimento dipende anche dagli impulsi precedenti. L'evoluzione temporale della pressione viene studiata e confrontata con la letteratura, trovando una nuova funzione che la descrive più accuratamente. Un'analisi dettagliata di alcuni esperimenti ha dimostrato che il desorbimento aumenta durante impulsi consecutivi, a causa dell'aumento di temperatura e della progressiva saturazione delle pareti. Si osserva anche l'impatto delle disruptions e della configurazione del plasma. Il codice MHIMS viene poi utilizzato per riprodurre le osservazioni sperimentali con la modellazione numerica. Le pareti di JET vengono modellate e viene simulata una serie di impulsi intervallati da fasi di desorbimento. La pressione ottenuta dalla simulazione concorda con quella reale, le osservazioni sperimentali vengono riprodotte correttamente. Il modello fisico viene estrapolato a ITER, adattando superfici e condizioni operative. La curva di pressione ottenuta dalla simulazione prevede che in 10-15 minuti, aumentando con impulsi consecutivi, la pressione parziale dell'idrogeno sarà sufficientemente bassa, in accordo con la letteratura. Questo dimostra che il desorbimento non limiterà fortemente il tempo di attesa. Altri vincoli, come la concentrazione delle impurità, potrebbero essere il fattore limitante.