Validazione sperimentale di una configurazione magnetica

Validazione sperimentale di una configurazione magnetica innovativa per
l'acceleratore da 1 MeV e 16 MW del fascio di ioni negativi per ITER
G. Chitarin1,2, V. Antoni2, D. Aprile2, P. Agostinetti2, C. Baltador2,
N. Marconato2,N. Pilan2, E. Sartori1,2, G. Serianni2, P. Veltri2,3
1
Univ. di Padova, Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali (DTG), strad. S. Nicola 3, 36100, Vicenza
2
Consorzio RFX, corso Stati Uniti 4, 35127 Padova
3
INFN-LNL, Viale dell’Università 2, 35020 Legnaro, Padova
Parole chiave: Fusione a confinamento magnetico, Acceleratori di particelle, Ottimizzazione.
Gli iniettori di particelle neutre per il riscaldamento addizionale del plasma nelle macchine a
confinamento magnetico sono costituiti da un acceleratore "multi-stadio" e "multi-apertura", che
accelera molte centinaia di fascetti di ioni Idrogeno o Deuterio e produce un unico fascio di ioni. Il
fascio deve essere ben collimato, per poter essere neutralizzato e trasferire completamente l'energia
cinetica delle sue particelle al plasma confinato. Gli iniettori attualmente più avanzati raggiungono
energie di centinaia di keV, con correnti di qualche Ampere per pochi secondi, utilizzando ioni
negativi, la cui neutralizzazione è nettamente più efficiente rispetto a quella degli ioni positivi.
In supporto al grande esperimento internazionale ITER, che richiede una nuova generazione di
iniettori da 1 MeV, 40 A, potenza utile di 16 MW e durata di 1 ora circa, si sta realizzando a Padova
un prototipo di iniettore con tali prestazioni, denominato MITICA. Nell'ambito di questa attività,
l'autore ha ideato e sviluppato una nuova configurazione magnetica, che risolve una delle difficoltà
degli acceleratori di ioni negativi. Infatti, per evitare che gli elettroni vengano accelerati insieme
agli ioni negativi, si utilizza normalmente un campo magnetico prodotto da magneti permanenti
disposti all'interno della griglia del primo stadio di accelerazione. Tale campo causa però una
significativa deflessione a zig-zag dei fascetti di ioni negativi e ne rende difficile la collimazione.
La nuova configurazione magnetica è ottimizzabile numericamente per sopprimere gli elettroni
e al contempo per annullare la deflessione degli ioni. Inoltre è molto più semplice e operativamente
versatile rispetto alle compensazioni di tipo elettrostatico precedentemente adottate.
L'autore ha poi promosso e realizzato una campagna di "esperimenti congiunti" con il
laboratorio di ricerca JAEA a Naka (Giappone), dove peraltro sono stati realizzati gli acceleratori di
ioni negativi con le migliori prestazioni ottenute finora. Nel corso di tale campagna, un prototipo di
griglia, progettato e costruito a Padova sulla base della nuova configurazione, è stato installato su
un acceleratore JAEA. Gli esperimenti hanno fornito la piena conferma dell'efficacia della nuova
soluzione, già adottata come "soluzione di riferimento" per MITICA e per gli iniettori di ITER, e
anche una utile validazione dei codici di simulazione numerica sviluppati nei due laboratori.
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P. Agostinetti, D. Aprile, V. Antoni, M. Cavenago, G. Chitarin, H.P.L. de Esch, A. De Lorenzi, N. Fonnesu, G.
Gambetta, R.S. Hemsworth, M. Kashiwagi, N. Marconato, D. Marcuzzi, N. Pilan, E. Sartori, G. Serianni, M.
Singh, P. Sonato, E. Spada, V. Toigo, P. Veltri and P. Zaccaria “Detailed design optimization of the MITICA
negative ion accelerator in view of the ITER NBI" Nucl. Fusion 56 (2016) 016015;
G. Chitarin, P. Agostinetti, D. Aprile, N. Marconato, P. Veltri: "Cancellation of the ion deflection due to
electron-suppression magnetic field in a negative-ion accelerator" Review of Scientific Instruments, Vol.85,
Issue 2, 02B317 (2014),.
G. Chitarin, P. Agostinetti, H.P.L de Esch, D. Marcuzzi, N. Marconato, E. Sartori, G. Serianni, P. Sonato, P.
Veltri and P. Zaccaria "Optimization of the electrostatic and magnetic field configuration in the MITICA
accelerator" Fusion Engineering and Design 88, 6-8 (2013), pag. 507–511
G. Chitarin “Magnet Grid – Grille Magnétique” International Patent number WO2014191890 (2014)
http://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docId=WO2014191890