Simulazioni multiscala dell'invecchiamento dei materiali esposti al plasma in ambienti di fusione nucleare

I Plasma Facing Materials (PFM) sono materiali progettati per stare a diretto contatto con il plasma. L'evoluzione temporale delle loro caratteristiche fisiche è di profondo interesse per diversi ambiti scientifici, in particolare per quello della fusione nucleare con lo scopo di controllarne i processi di invecchiamento. Dopo un'introduzione riguardante i fondamenti della produzione di energia mediante fusione nucleare, adatta a comprendere i più comuni sistemi di confinamento del plasma con particolare attenzione a quello magnetico, l'argomento principale della tesi, ovvero l'invecchiamento dei PFM, viene inserito all’interno della letteratura scientifica contemporanea. Per analizzare la vasta tipologia di processi fisici e chimici che caratterizzano l'interazione plasma-materia, viene innanzitutto intrapreso un attento studio della letteratura che mostra come un approccio multiscala al problema sia fondamentale per ottenere una descrizione completa del comportamento del sistema. Durante il lavoro del dottorato, il nostro contributo scientifico è consistito nella progettazione di uno strumento multiscala per studiare l'evoluzione temporale della morfologia, erosione, rugosità e difettosità del PFM secondo le evidenze sperimentali riguardanti le interazioni plasma-materiale. Uno strumento multiscala è stato formalizzato e implementato. I risultati della ricerca e la struttura del programma saranno riportati nei capitoli 2 e 3. Si compone di tre codici, i primi due dei quali sono accoppiati sequenzialmente, mentre il terzo è una routine di livello superiore integrata nel secondo. Il primo codice simula lo stato del plasma. Si tratta di un modello volume-mediato 0D che, forniti i dati del gas in ingresso, genera e risolve un sistema di equazioni accoppiate che restituiscono la soluzione del plasma dipendente dal tempo in termini di temperatura elettronica, concentrazione, potenziale di guaina e flussi dei costituenti del plasma. Include le reazioni superficiali e comunica con gli altri strumenti completamente 3D grazie a correzioni geometriche. Il secondo è un Monte Carlo cinetico (KMC) progettato per tenere conto di un'ampia gamma di reazioni. Simula le sequenze di modifiche strutturali superficiali e vicine alla superficie causate dai componenti del plasma che interferiscono e reagiscono sul PFM. Il moto delle vacanze e dei gas, importante per raggiungere la descrizione alla mesoscala, è affidato a una routine MC di livello superiore che interviene sullo stesso reticolo della KMC per considerare il comportamento collettivo delle componenti principali del danno attraverso un approccio MC continuo alla risoluzione dei cluster/aggregati. A causa dell'affermazione del tungsteno (W) come materiale PFM principalmente scelto nelle configurazioni del divertore per le reazioni deuterio-trizio, la ricerca si è concentrata sull'interazione tra W e plasma di idrogeno (H) o elio (He). I dispositivi al plasma lineare sono uno strumento diffuso per sondare le loro interazioni; pertanto, la geometria lineare è stata scelta come vincolo geometrico trattato in questa tesi. Vengono inoltre sottolineate le potenzialità di questo programma, tra cui: la capacità di descrivere il dettaglio quasi atomico dell'evoluzione del PFM, la capacità di descrivere il comportamento complesso del sistema e la possibilità di variare un'ampia gamma di parametri iniziali, come pressione e potenza in ingresso, dimensioni della camera, rapporti stechiometrici e persino coefficienti di reazione del plasma e del materiale. Queste caratteristiche verranno discusse facendo riferimento a matrici realistiche di esperimenti da realizzare in sorgenti di plasma lineari.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2024

Author dc:creator

• LO PRESTI, GIORGIO

Contributors dc:contributor

• RUFFINO, FRANCESCO

• Nuclear Fusion
• Hydrogen
• Helium
• Tungsten
• Simulation
• Monte Carlo
• Fusione Nucleare
• Idrogeno
• Elio
• Tungsteno
• Simulazioni

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/658050

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/658050