Calibración absoluta y aplicación de los detectores de pérdidas de iones rápidos basados en materiales centelleadores para dispositivos de fusión nuclear

Abstract

La fusión nuclear se presenta como una de las pocas opciones energéticas virtualmente inagotable y respetuosa con el medio ambiente. En los actuales dispositivos de fusión nuclear, la existencia de partículas supratérmicas es esencial para transmitir momento y energía al plasma. Las pérdidas, debidas a diferentes mecanismos, de estas partículas afectan a la eficiencia de calentamiento del plasma y pueden generar un flujo excesivo sobre la pared del reactor, dañando su integridad. El principal diagnóstico para el estudio de los mecanismos de transporte de las partículas supratérmicas es el detector de pérdidas de iones rápidos basados en materiales centelleadores (FILD, del inglés Fast-Ions Loss Detectors). Estos detectores proporcionan una información completa del espacio de velocidades de los iones que se escapan del plasma. Y ofrecen una resolución temporal de las pérdidas que permita identificar el tipo de fluctuación responsable. Para tener la capacidad de hacer predicciones en los futuros reactores de fusión como ITER y reproducir las observaciones experimentales de los actuales dispositivos, los códigos de simulación de trayectorias de partículas deben ser validados. Sin embargo, medidas experimentales absolutas de los flujos de pérdidas de partículas que impactan sobre la pared de los dispositivos no se encuentran disponibles dada la complejidad de la respuesta luminiscente de los materiales centelleadores en las condiciones extremas de radiación (dependencia con la energía, especie iónica, emisión de fondo,...) y temperatura en el que el diagnostico tiene que operar durante los experimentos en un reactor. Por este motivo, la presente tesis se establece una simbiosis perfecta entre el mundo de los aceleradores de partículas y los actuales dispositivos de fusión nuclear. El trabajo que se desarrolla en esta tesis constituye un estudio pionero en la calibración absoluta de los detectores de pérdidas de iones r’apidos basados en materiales centelleadores. En el centro Nacional de aceleradores de Sevilla (CNA), el trabajo experimental se centra en la puesta a punto una nueva cámara de vacío acoplada al acelerador Tándem que ha permitido aplicar, por primera vez en el CNA, la técnica de ionoluminiscencia en un rango de temperaturas entre temperatura ambiente y 500_C. Se estudian los valores de rendimientos absolutos y la cinemática de la degradación para protones, deuterio y partículas alfa en un rango de energía entre 600 keV y 3.5 MeV de varias muestras centelleadoras. También se presenta la respuesta temporal de las muestras analizadas. El material conocido como TG-Green ha demostrado ser el material más adecuado para poder seguir las r’apidas fluctuaciones existentes en plasmas de fusión. Se presenta una función instrumental a partir de la calibración absoluta del rendimiento de los centelleadores, del sistema de detección óptico del detector y de la influencia de la geometría del colimador que se ha aplicado para proporcionar, por primera vez, las medidas absolutas del número de iones rápidos que se pierden en el reactor experimental ASDEX Upgrade del instituto Max Planck de física de plasma de Múnich (IPP) en plasmas con las condiciones más sencillas y reproducibles. Esta tesis se concluye con un estudio comparativo entre los diagnósticos de cámaras infrarrojas instalados en el reactor y las perdidas obtenidas en la cabeza del detector con el código de simulación ASCOT.

Nuclear fusion is one of the few energy options that is virtually inexhaustible and respectful on the environment. In current nuclear fusion devices, the existence of suprathermal particles is essential to transmit momentum and energy to plasma. Losses due to different mechanisms of these particles affect the heating efficiency of the plasma and can generate excessive heat load on the reactor wall, damaging its integrity. The main diagnosis for the study of the transport mechanisms of suprathermal particles is the Fast-Ions Loss Detectors (FILD) detector. These detectors provide complete information on the velocity space of the ions escaping from the plasma and thus allowing to identify the type fluctuation responsible for the loss. To be able to make predictions on future fusion reactors such as ITER and reproduce experimental observations of current devices, particle path simulation codes must be validated. However, given the complexity of the luminescent response of the scintillating materials under extreme radiation conditions (dependence on energy, ionic species, background emission, ...) and temperature at which the diagnosis has to operate during the experiments in a reactor, absolute experimental measurements of particle fluxes impacting the wall of the devices are not available. It is for this very reason, that this thesis establishes a perfect symbiosis between the world of particle accelerators and current nuclear fusion devices. The work developed in this thesis constitutes a pioneering study in the absolute calibration of the detectors of losses of fast ions based on scintillating materials. At the National Accelerator Center in Seville (CNA), the experimental work is focused on the development of a new vacuum chamber coupled to the Tandem accelerator, which has allowed the application of the ionoluminescence technique for the first time in the history of CNA, in a temperature range between room temperature and 500_C. The values of absolute yields and kinematics of degradation for protons, deuterium and alpha particles in an energy range between 600 keV and 3.5 MeV of several scintillation samples are studied. The temporal response of the analyzed samples is also presented. The material known as TG-Green has proven to be the most suitable material to follow the rapid fluctuations in fusion plasmas. An instrumental function is presented from the absolute calibration of the scintillator performance, the detector’s optical detection system and the influence of the geometry of the collimator that has been applied to provide, for the first time, the absolute measurements of the fast ion losses in the experimental reactor ASDEX Upgrade of the Max Planck institute of plasma Physics in Munich (IPP) in plasmas with the simplest and most reproducible conditions. This thesis concludes with a comparative study between the infrared camera diagnostics installed in the reactor and the losses obtained at the detector head with the ASCOT simulation code