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Pavei, Mauro (2012) Studies, analyses, available materials and technologies for plasma facing components - Applications and future improvements for negative Ion sources of neutral beam injectors. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

One of the most critical issues for present fusion machines, and even more for next generation ITER and fusion reactor prototypes, is the reliability and fatigue & wearing resistance of plasma facing components. The engineering problem is very challenging and the research in this field requires a number of multidisciplinary competences such as thermo-mechanics, thermo-hydraulics and the knowledge of materials capable of resisting to thermal fatigue cycles under intense irradiation for very long periods in the presence of enhanced creeping and aging phenomena. Wearing estimates need further knowledge on plasma-materials interactions, and on chemical and physical sputtering.
All these issues are particularly important for divertor targets, but are also relevant for some parts of the Radio-Frequency (RF) Ion Sources of Neutral Beam Injectors that are subjected to extremely high and localized peaks of power densities.
The research activities of the candidate have been dedicated in particular to these arguments for the RF ion source and driver back-plates, also considering the present state of the art and next design/material developments for the divertor targets in ITER and DEMO.
Design optimization, numerical models, analyses and technological issues/improvements for the design of the RF source components, with execution of R&D, have been the main goals of this PhD work.
Most of the R&D has been carried out with interactions and strong collaborations with other European Laboratories and private companies. Preliminary samples have been manufactured by explosion bonding and plasma spraying, in collaboration with private companies, for analyzing the possibility of manufacturing 1.0mm thick molybdenum armour layer on copper substrate. These different samples have been tested in order to evaluate the compatibility with vacuum environment and the interface quality; the Explosion Bonding process has eventually been found to be the most promising.
New molybdenum-to-copper explosion-bonded prototypes have then been manufactured, with the most performing parameters, previously defined. The most critical parts of the prototypes have been analyzed and modified; Finite Element models and analyses have been carried out, aiming at reducing the shear stresses in the molybdenum layer during and after the forming of the edge area.
Cut out from the prototypes, some specimens have been produced. These specimens have been thermal-shock and thermal-fatigue tested, under thermal conditions similar to the ones of the RF Ion Source and driver back-plates during the future NBI pulses. The specimens have been analyzed after the tests: microscopic, XRD and profilometric analyses have been carried out in order to verify the “post mortem” material condition at the interface, after the fatigue test.
The work is continuing towards the full definition of the manufacturing steps, the production of a full scale prototype of the Plasma Driver Plate and a full analysis, study and qualification of the explosion bonding technology for nuclear fusion applications to be submitted to ITER Organization for approval.

Abstract (italian)

Uno degli aspetti più critici delle attuali macchine da fusione, e ancor di più di ITER e dei prototipi di reattore della prossima generazione, è l'affidabilità  dei materiali esposti al plasma unitamente alla loro resistenza a fatica e all'usura. Il problema ingegneristico da risolvere è una sfida e la ricerca nel campo dei materiali da prima parete richiede competenze multidisciplinari nel campo della termomeccanica e della termoidraulica, nonché la conoscenza di materiali in grado di resistere a cicli di fatica termica quando sottoposti per lungo tempo a forte irraggiamento, e quindi in presenza di fenomeni quali il creep e l'invecchiamento. La stima dell'usura richiede ulteriore conoscenza dell'interazione tra il plasma e i materiali di prima parete, e quindi dei processi di sputtering chimico e fisico.
Tutti questi aspetti sono particolarmente importanti per i pannelli del divertore, ad esempio, ma lo sono anche per alcune parti delle sorgenti di ioni a radiofrequenza degli iniettori di neutri (NBI) che sono soggette a picchi di densità  di potenza estremamente elevati e localizzati.
Le attività  di ricerca del candidato sono state dedicate in particolare a questi aspetti relativi alla sorgente a radiofrequenza (RF) e ai suoi "driver back-plates" (pareti di contenimento del plasma all'interno della sorgente), considerando lo stato dell'arte e lo sviluppo futuro di materiali per il divertore di ITER e DEMO.
L'ottimizzazione del progetto, i modelli numerici, le analisi e il miglioramento di alcuni aspetti tecnologici del progetto dei componenti della sorgente RF, tramite le attività  di ricerca e sviluppo effettuate, sono stati gli obiettivi primari del lavoro di dottorato (PhD).
La maggior parte delle attività  di R&D sono state svolte interagendo e collaborando pesantemente con altri laboratori europei e con ditte private. Sono stati infatti realizzati dei campioni mediante le tecniche di "explosion bonding" e "plasma spraying", presso ditte private, con lo scopo di verificare la possibilità  di "depositare" uno strato di molibdeno su un substrato di rame. Questi diversi campioni sono stati quindi testati con lo scopo di valutare la compatibilità  con il vuoto del materiale depositato e la qualità  dell'interfaccia tra i due materiali; alla fine, il processo denominato "explosion bonding" si è rivelato il più promettente.
Si sono quindi realizzati nuovi prototipi aventi uno strato di molibdeno esploso su una piastra di rame, tenendo conto dei parametri di esplosione precedentemente identificati che offrivano le migliori prestazioni.
Dai prototipi di piastra realizzati sono stati ricavati alcuni provini. Tali provini sono stati testati a shock termico e fatica termica, sottoponendoli a condizioni di carico simili a quelle stimate per la sorgente RF e per i suoi back plates durante i futuri impulsi dell'iniettore di neutri. Successivamente ai test di fatica, i provini sono stati analizzati al microscopio, con la tecnica XRD (X-ray Diffraction) e con il profilometro per verificare lo stato del materiale e dell'interfaccia in condizioni "post mortem".
Il lavoro presentato sta attualmente continuando verso la completa definizione dei passi necessari per la costruzione del prototipo in scala reale del "Plasma Driver Plate" e la qualificazione della tecnologia di "explosion bonding" quale processo da sottomettere all'approvazione di ITER (ITER Organization - IO) per applicazioni di fusione nucleare.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Sonato, Piergiorgio
Supervisor:Dal Bello , Samuele
Ph.D. course:Ciclo 24 > Corsi 24 > Fusion Science and Engineering
Data di deposito della tesi:30 January 2012
Anno di Pubblicazione:2012
Key Words:Nuclear Fusion, Neutral Beam Injector
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/16 Tecnologie e sistemi di lavorazione
Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/19 Impianti nucleari
Struttura di riferimento:Centri > Centro Interdipartimentale "Centro Ricerche Fusione"
Codice ID:4910
Depositato il:20 Nov 2012 17:40
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