Plasma Facing Materials (PFM) are materials designed to be in direct contact with plasma. The time evolution of their physical characteristics is of profound interest for various scientific fields, in particular for that of nuclear fusion with the aim of controlling aging processes. Following an introduction regarding the basics of energy production by nuclear fusion, suitable for understanding the most common plasma confinement systems with particular attention to magnetic confinement, the main topic of the thesis, i.e. the aging of PFMs, is interspersed in contemporary scientific literature. To cover the vast typology of physical and chemical processes characterizing plasma-material interaction, a careful analysis of the literature is first undertaken showing as a multiscale approach to the problem might be fundamental to obtaining a complete description of the overall behavior of the system. During the PhD course, our contribution to this field consisted in the design of a multiscale tool for studying the temporal evolution of PFM morphology, erosion, roughness and bulk defectiveness according to the experimental evidence regarding plasma-material interactions. A multiscale tool has been formalized and implemented. The results of the research and the structure of the program will be reported in chapters 2 and 3. It consists of three codes, the first two of which are sequentially coupled, while the third is a higher-level routine integrated into the second one. The first code simulates the plasma state. It is a 0D volume averaged model that, given the data of the inlet gas, generates and solves a system of coupled equations providing the time-dependent plasma solution in terms of electronic temperature, concentration, sheath potential and fluxes of plasma constituents. It includes the surface reactions and communicates with the other fully-3D tools involving geometric corrections. The second one is a kinetic Monte Carlo (KMC) designed to account for a wide set of reactions. It simulates the sequences of surface and near-surface structural modifications caused by the plasma components impinging and reacting on the PFM. The motion of the vacancies and gases, important for reaching the mesoscale description, is entrusted to a higher-level MC routine which intervenes on the same lattice as the KMC to consider the collective behavior of the bulk components of the damage through a continuous MC approach at the clusters/aggregates resolution. Due to the claim of tungsten (W) as material of choice as PFM in divertor configurations for deuterium-tritium reactions, the research has focused on the interaction between W and hydrogen (H) or helium (He) plasmas. Linear plasma devices are a widespread instrument for probing these settings, thus, linear geometry has been chosen as the geometrical constraint treated in this thesis. The potentialities of this tool are also underlined, among them there are: the ability to describe the quasi-atomic detail of the PFM evolution, the ability to describe the complex behavior of the system, and the possibility to vary a wide range of initial parameters, such as inlet pressure and power, chamber dimensions, stoichiometric ratios, and even plasma and bulk reaction coefficients. These features will be discussed referring to realistic matrixes of experiments to be realized in linear plasma sources.
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.
Simulazioni multiscala dell'invecchiamento dei materiali esposti al plasma in ambienti di fusione nucleare / LO PRESTI, Giorgio. - (2024 Dec 06).
Simulazioni multiscala dell'invecchiamento dei materiali esposti al plasma in ambienti di fusione nucleare
LO PRESTI, GIORGIO
2024-12-06
Abstract
Plasma Facing Materials (PFM) are materials designed to be in direct contact with plasma. The time evolution of their physical characteristics is of profound interest for various scientific fields, in particular for that of nuclear fusion with the aim of controlling aging processes. Following an introduction regarding the basics of energy production by nuclear fusion, suitable for understanding the most common plasma confinement systems with particular attention to magnetic confinement, the main topic of the thesis, i.e. the aging of PFMs, is interspersed in contemporary scientific literature. To cover the vast typology of physical and chemical processes characterizing plasma-material interaction, a careful analysis of the literature is first undertaken showing as a multiscale approach to the problem might be fundamental to obtaining a complete description of the overall behavior of the system. During the PhD course, our contribution to this field consisted in the design of a multiscale tool for studying the temporal evolution of PFM morphology, erosion, roughness and bulk defectiveness according to the experimental evidence regarding plasma-material interactions. A multiscale tool has been formalized and implemented. The results of the research and the structure of the program will be reported in chapters 2 and 3. It consists of three codes, the first two of which are sequentially coupled, while the third is a higher-level routine integrated into the second one. The first code simulates the plasma state. It is a 0D volume averaged model that, given the data of the inlet gas, generates and solves a system of coupled equations providing the time-dependent plasma solution in terms of electronic temperature, concentration, sheath potential and fluxes of plasma constituents. It includes the surface reactions and communicates with the other fully-3D tools involving geometric corrections. The second one is a kinetic Monte Carlo (KMC) designed to account for a wide set of reactions. It simulates the sequences of surface and near-surface structural modifications caused by the plasma components impinging and reacting on the PFM. The motion of the vacancies and gases, important for reaching the mesoscale description, is entrusted to a higher-level MC routine which intervenes on the same lattice as the KMC to consider the collective behavior of the bulk components of the damage through a continuous MC approach at the clusters/aggregates resolution. Due to the claim of tungsten (W) as material of choice as PFM in divertor configurations for deuterium-tritium reactions, the research has focused on the interaction between W and hydrogen (H) or helium (He) plasmas. Linear plasma devices are a widespread instrument for probing these settings, thus, linear geometry has been chosen as the geometrical constraint treated in this thesis. The potentialities of this tool are also underlined, among them there are: the ability to describe the quasi-atomic detail of the PFM evolution, the ability to describe the complex behavior of the system, and the possibility to vary a wide range of initial parameters, such as inlet pressure and power, chamber dimensions, stoichiometric ratios, and even plasma and bulk reaction coefficients. These features will be discussed referring to realistic matrixes of experiments to be realized in linear plasma sources.File | Dimensione | Formato | |
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