Development of a Deuterium plasma global model for fusion-relevant applications

Hydrogen plasmas are central to fusion research, with the Deuterium-Tritium reaction as the most promising candidate for future fusion reactors. However, their molecular nature gives rise to considerable physical and chemical complexity. In this context global (0D) models provide an efficient framework to capture the interplay of numerous reactions at modest computational cost. They are particularly suitable for application to Linear Plasma Devices (LPDs), where an accurate prediction of plasma composition is essential for plasma-material interaction studies. Global models also help identify missing physics and inadequate assumptions in higher-fidelity models. However, dedicated isotopic adaptations of hydrogen 0D models are still lacking. This thesis aims to develop a global model specifically for deuterium plasmas and to apply it to the investigation of deuterium plasmas in the GyM LPD, together with the validation of its predictions against experimental observations. In addition, it addresses open questions regarding the validity of the SOLPS-ITER modeling approach for molecular ions in LPDs through comparison with the developed 0D model. The model is first developed for hydrogen to enable benchmarking against reference cases from the literature, showing good agreement and thereby demonstrating its predictive capability. Comparison with GyM experimental data confirms the reliability of its deuterium adaptation and its ability to provide valuable insight into the plasma composition, which is shown to be dominated by molecular ions. Finally, comparison between the 0D model and the SOLPS-ITER results indicates that the treatment of molecular ions in the latter should be revised under the considered operating conditions. The developed model proved to be a reliable and effective tool for the investigation of low-temperature and low-to-intermediate pressure hydrogenic plasmas. Moreover, it demonstrated its value in complementing SOLPS-ITER and higher-fidelity models in general.

I plasmi di idrogeno sono centrali nell'ambito della ricerca sulla fusione, in cui la reazione tra Deuterio e Trizio è considerata la più promettente per lo sviluppo di un futuro reattore. Tuttavia, a causa della loro natura molecolare, sono caratterizzati da un'elevata complessità chimica e fisica. In questo contesto, i modelli globali (0D) si rivelano uno strumento efficacie per riprodurre l'interazione tra numerose reazioni a fronte di un costo computazionale modesto. Sono particolarmente adatti ad essere applicati a dispositivi a plasma lineari, in cui accurate stime della composizione del plasma sono essenziali per studi di interazione plasma-materia. I modelli globali sono anche utili nell'individuare assunzioni inadeguate o mancanti in modelli più accurati. Tuttavia sono carenti in letteratura gli adattamenti di modelli 0D di plasmi di idrogeno ai suoi isotopi. Questa tesi mira a sviluppare un modello globale specifico per plasmi di deuterio e ad applicarlo allo studio di plasmi di deuterio nella macchina lineare GyM, svolgendo al contempo un'attività di validazione del modello stesso. Inoltre, attraverso il confronto con il modello 0D, si vuole affrontare il tema della validità dell'approccio modellistico di SOLPS-ITER per ioni molecolari nei dispositivi lineari. Il modello è stato inizialmente sviluppato per l'idrogeno, al fine di effettuare un confronto diretto con modelli di letteratura, il quale ha dimostrato ottimi risultati. Il confronto con i dati sperimentali di GyM ha confermato l'affidabilità del modello anche rispetto al suo adattamento al deuterio, fornendo in aggiunta importanti informazioni sulla composizione del plasma che è risultato essere dominato da ioni molecolari. In fine il confronto tra il modello 0D e SOLPS-ITER ha indicato che il trattamento degli ioni molecolari in quest'ultimo dovrebbe essere rivisto almeno per le condizioni operative indagate. Il modello sviluppato ha dimostrato di essere affidabile ed efficacie nello studio di plasmi idrogenoidi a bassa temperatura e pressione bassa-intermedia. Inoltre sì è rivelato un valido strumento complementare rispetto a modelli più accurati come SOLPS-ITER.