Institute for plasma physics \"Piero Caldirola\" (IFP)

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  • Institute for plasma physics \"Piero Caldirola\" (IFP) (literal)
  • Istituto di fisica del plasma \"Piero Caldirola\" (IFP) (literal)
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  • The Institute was established as Laboratorio di Fisica del Plasma ed Elettronica Quantistica in 1970 under the Direction of Prof. Piero Caldirola, with two separate sections: the plasma physics section at the University of Milan and the Quantum electronics section at the Politecnico (School of Engineering) of Milan. The esperimental activity of the plasma section was mainly oriented toward studies of ionized gas discharges while the theoretical studies were focussed on problems of radio wave propagation in the ionosphere and of experiments interpretation. Later in 1975, the two sections split and the plasma section kept the name of Laboratorio di Fisica del Plasma. In 1976, the European scientific collaboration started in the frame of the EURATOM-CNR Association, established together with the Istituto Gas Ionizzati of Padua. Within this association the tokamak THOR was built and operated from 1978 to 1989 with an auxiliary RF power system at 28 Ghz for electron heating by ECW waves. These experiments were financed under “preferential support” by Euratom. In 1979 the Laboratory was named Istituto di Fisica del Plasma. In 1985 the EURATOM-ENEA-CNR Association was established, unifying the relations with Euratom of all Italian institutes doing research on thermonuclear fusion (contracts 202/85/FUAI; 343/88/FUAI, and present contract 01.01.88-31.12.98). The experience gained on the THOR tokamak has allowed the Institute to design, construct, and operate scientifically and technically the electron heating experiment with radiofrequency power at 140 Ghz on the plasma of the FTU tokamak of C.R.E. ENEA in Frascati, under Euratom “preferential support”. In the frame of the CNR reorganization, on 15/10/2001 the Institute is confirmed as Istituto di Fisica del Plasma “Piero Caldirola” (IFP). Presently, IFP staff amounts to 22 Researchers/Technologists, 11 technicians, 5 administrative and secretarial persons, 2 contractors, 1 fellowship, and 7 external collaborators. The mission of the Institute, grown in thirty years of activity performed in close contact with international institutions and within the Euratom research framework, is scientific and technological research in the field of laboratory plasma physics, with particular focus on the interaction of electromagnetic waves with plasmas. IFP organization is historically along three functional lines with continuous and important internal collaborations. The first experimental line is dedicated to carrying out experiments with high power millimiter waves for applications in the domain of thermonuclear fusion research and for the development of radiofrequency technologies, both at high power and at signal level for diagnostic systems. The second functional line of applied research is dedicated to the physical-chemical study of plasma-materials interaction, oriented toward the development of processes of material treatment both for molecular dissociation of toxic substances and for the modification of surface properties. Furthermore physical-chemical analysis of first wall material of fusion experimental devices is performed using state-of-the-art equipment and XPS, AES, ISS, LEED, SIMS techniques. The third research line includes the development of plasma theory, concerning fundamental and applied problems, in particular electromagnetic wave interaction with plasmas, the physics of tokamaks and thermonuclear fusion, and the theoretical modelling and interpretation of national and international experiments on fusion. The theoretical studies are performed both using the classical analytical methods of physics and mathematical investigations, and the development of numerical codes suitable for the complex modelling of the processes under study and interpretation of the signals measured. Presently, IFP is equipped with advanced numerical codes for the study of propagation, absorption and scattering of gaussian beams of high frequency electromagnetic waves, new and accurate Vlasov and Fokker-Planck codes, fluid type codes for modelling heat and particle transport in tokamaks, and finally other codes developed for electromagnetic emission analysis and for some magnetohydrodynamic stability problem. Training of IFP staff, as well as of university and PhD students, is pursued continuously with close national and international collaboration with scientific institutions, and universities. IFP has organized or collaborated to the scientific organization of several workshops and international conferences on the physics of laboratory and astrophysical plasmas, often together with the International School of Plasma Physics and the Associazione Italiana Vuoto. The main items of the scientific activity are briefly listed below. EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE PLASMA INTERACTION WITH ELECTRON CYCLOTRON WAVES AND RELATED TECHNOLOGIES 1. ECRH experiments on FTU 2. R&D in the Millimiter Wave Laboratory 3. Participation to international ECRH projects and experiments 4. Participation to the Planck-LFI project PLASMA AND THERMONUCLEAR FUSION TECHNOLOGIES 1. Plasma induced modification of surface functional properties 2. Destruction of organic toxical waste 3. Ion species separation in a plasma by means of RF ponderomotive forces 4. Instrument development for material surface analysis THEORY OF PLASMA AND OF THERMONUCLEAR FUSION 1. Physics of wave plasma interaction in fusion devices 2. Transport and MHD studies for tokamaks 3. General plasma theory 4. Fusion Diagnostics Studies (literal)
  • L’Istituto venne costituito come Laboratorio di Fisica del Plasma ed Elettronica Quantistica nel 1970 sotto la direzione del Prof. Piero Caldirola con due sezioni distinte: una dedicata ai plasmi presso l’Università di Milano e una di elettronica quantistica presso il Politecnico di Milano. L’attività sperimentale della sezione plasmi riguardava scariche in gas ionizzati, mentre l’attività teorica si occupava principalmente della propagazione di onde radio nella ionosfera, oltre che dell’interpretazione degli esperimenti. Successivamente nel 1975, le due sezioni divennero autonome e quella di plasmi mantenne la denominazione di Laboratorio di Fisica del Plasma. Nel 1976, inizia la collaborazione scientifica europea nell’ambito dell’Associazione EURATOM-CNR, costituita insieme all’Istituto Gas Ionizzati di Padova. Nell’ambito di questa associazione, fu realizzato e operò sperimentalmente il tokamak THOR fino al 1989 con il sistema di potenza addizionale a radiofrequenza a 28Ghz per il riscaldamento della componente elettronica. Questi esperimenti furono finanziati come “prioritari” in ambito Euratom. Nel 1979 il Laboratorio assume il nome di Istituto di Fisica del Plasma. Nel 1985 si costituisce l’Associazione EURATOM-ENEA-CNR, che unifica a livello nazionale il rapporto con l’Euratom degli istituti di ricerca italiani che studiano la fusione (contratti 202/85/FUAI; 343/88/FUAI, ed attuale contratto 01.01.88-31.12.98). L’esperienza acquisita sul tokamak THOR ha consentito all’Istituto di progettare, di realizzare e gestire scientificamente e tecnologicamente l’esperimento di riscaldamento addizionale a radiofrequenza a 140 Ghz del plasma del tokamak FTU, presso il centro ENEA di Frascati, con finanziamento “prioritario” Euratom. Nell’ambito della revisione della rete scientifica del CNR, con provvedimento ordinamentale n. 16021 del 15/10/2001, l’Istituto viene confermato nella denominazione attuale di Istituto di Fisica del Plasma “Piero Caldirola” (IFP). Il personale dell’IFP comprende attualmente 22 Ricercatori/Tecnologi, 11 Collaboratori tecnici, 5 unità di personale per amministrazione e segreteria, 1 Assegnista, 2 Contrattisti e 7 collaboratori esterni. La missione dell’Istituto di Fisica del Plasma “P.Caldirola” consiste nel produrre e mantenere, nel sistema italiano, le competenze relative allo sviluppo scientifico ed applicativo della fusione termonucleare attraverso l’inserimento efficace e tempestivo nel quadro delle iniziative concrete perseguite dalla Comunità Europea e lo sviluppo interno di applicazioni tecnologiche che ne derivano. L’organizzazione dell’IFP è storicamente articolata secondo tre linee funzionali principali, con continue e importanti interazioni e collaborazioni reciproche. La prima linea, sperimentale, è dedicata alla realizzazione di esperimenti con onde millimetriche di grande potenza per applicazioni alla ricerca sulla fusione termonucleare controllata, e allo sviluppo di tecnologie a radiofrequenza relative sia alle applicazioni ad alta potenza, che a sistemi diagnostici e di trattamento di segnale. La seconda linea funzionale, di ricerca applicata, si occupa dello studio fisico-chimico dell’interazione plasma-materia per lo sviluppo di processi di trattamento dei materiali, sia per la dissociazione molecolare di sostanze tossiche, sia per la modificazione delle proprietà funzionali di superficie. E’ inoltre attivo anche un sistema di analisi chimico-fisico di superfici, con tecniche XPS, AES, ISS, LEED, SIMS per materiali di prima parete delle macchine per gli esperimenti sulla fusione. La terza linea riguarda sia lo sviluppo della teoria dei plasmi, a carattere fondamentale e applicata, in particolare l’interazione delle onde elettromagnetiche nei plasmi, la fisica del tokamak e della fusione, sia lo sviluppo di modelli teorici applicabili alla analisi interpretativa dei risultati ottenuti in esperimenti nazionali e internazionali. Gli studi condotti nei settori sopra indicati sono svolti attraverso metodi classici di indagine fisico matematica e lo sviluppo di codici numerici adatti ai complessi modelli matematici dei processi e ad accurate analisi di segnali fisici misurati. L’IFP è dotato di sofisticati codici di propagazione ed assobimento di fasci gaussiani di onde elettromagnetiche di alta frequenza, di nuovi ed accurati codici cinetici di tipo Vlasov e Fokker-Planck, codici fluidi di equilibrio e trasporto per tokamaks, nonché di un certo numero di codici sviluppati per analisi di segnali di emissione di radiazione e per alcuni problemi legati alla stabilità di perturbazioni magnetoidrodinamiche. La formazione del personale interno, di studenti e candidati al Dottorato viene perseguita, nel quadro di ampie collaborazioni con Istituti Scientifici ed Università nazionali ed internazionali. L’IFP ha organizzato in proprio o collaborato all’organizzazione scientifica di numerosi workshop e conferenze internazionali sulla fisica del plasma di laboratorio e astrofisico, anche in compartecipazione con l’International School of Plasma Physics e l’Associazione Italiana Vuoto. Le attività sviluppate vengono elencate nel seguito. FISICA SPERIMENTALE DELL’INTERAZIONE DI PLASMI CON ONDE CICLOTRONICHE ELETTRONICHE E TECNOLOGIE RELATIVE 1. Esperimento ECRH in FTU 2. Ricerca e Sviluppo nel Laboratorio Onde Millimetriche 3. Partecipazione a progetti ed esperimenti ECRH in ambito internazionale 4. Attività Planck-LFI TECNOLOGIE DEL PLASMA E DELLA FUSIONE TERMONUCLEARE 1. Modificazioni superficiali dei materiali indotte dal plasma 2. Distruzione di sostanze organiche tossico nocive 3. Separazione di ioni in un plasma mediante forze ponderomotrici generate da potenza RF 4. Sviluppo di strumentazione per l’analisi superficiale di materiali TEORIA DEI PLASMI E DELLA FUSIONE TERMONUCLEARE 1. Fisica dell’interazione onde–plasma negli esperimenti per la fusione 2. Studi predittivi e interpretativi di trasporto e MHD nei tokamak 3. Sviluppo di problemi teorici di principio 4. Progettazione e sviluppo di diagnostiche per la fusione (literal)
Istituto esecutore di
Prodotto
Ha afferente
Codice
  • IFP (literal)
Nome
  • Institute for plasma physics \"Piero Caldirola\" (IFP) (literal)
  • Istituto di fisica del plasma \"Piero Caldirola\" (IFP) (literal)
Parte di
Afferisce a
Collaborazioni
  • L’Istituto è membro dell’Associazione EURATOM-ENEA-CNR per la Fusione Termonucleare e partecipa al programma comunitario sulla fusione, attualmente Sesto Programma Quadro (http://www.cordis.lu/fp6/fusion.htm). In questo ambito, vi è collaborazione scientifica tra tutti i laboratori europei associati (http://europa.eu.int/comm/research/fusion/assoc.html). L’IFP ha una collaborazione fondamentale con il C.R.E. ENEA di Frascati per la gestione dell’esperimento ECRH sul tokamak FTU. Attraverso l’Associazione istituzionale coll’Euratom, ha in particolare collaborazioni con JET-EFDA, CEA (F), CRPP (CH), IPP-Max-Planck (D), FOM (NL), IST-CFN (P) ed il progetto ITER (http://www.iter.org/). Vi sono poi collaborazioni scientifiche con l’Università degli Studi di Milano e di Milano Bicocca, il Politecnico di Milano, l’Università dell’Insubria, che comportano anche lo svolgimento di tesi e tesi di dottorato presso l’IFP. L’IFP ha una collaborazione sotto contratto con IASF-CNR, sezione di Bologna, per la caratterizzazione di antenne del Low Frequency Instrument (LFI) per il satellite astronomico Planck (http://sci.esa.int/home/planck/index.cfm). La ricerca industriale applicata è svolta in collaborazione con il Dipartimento di Fisica dell’Università di Milano-Bicocca, con l’Università di Milano (Dipartimento di Scienze e Tecnologie Alimentari e Microbiologiche ed Istituto di Fisiologia Generale e Chimica Biologica), con l’Università Federico II di Napoli (Dipartimento di Fisica). Infine vi sono numerose collaborazioni scientifiche individuali con scienziati italiani e stranieri dell’Università di Pisa, di Torino, d del MIT (USA), della General Atomics (USA), dell’Istituto di Fisica Generale dell’Accademia delle Scienze Russa di Mosca e dell’Istituto di Fisica Applicata dell’Accademia delle Scienze Russa di Nizhny Novgorod. Parte di esse si sono avvalse anche del programma di ospitalità per Scienziati visitatori. (literal)
Attività di formazione
  • Ricercatori Senior dell’IFP hanno la responsabilita' di corsi specialistici presso l’Universita' Milano-Bicocca, e i laboratori del III e IV anno del Corso di Laurea di Fisica si svolgono presso l’IFP utilizzando la macchina lineare a plasma GyM in dotazione all'Istituto. Per gestire al meglio le iniziative di formazione e di divulgazione e' stato istituito in IFP il Public Information Team (PIT) con il compito di promuovere all’esterno le attività dell’Istituto nel campo dei plasmi e della fusione. Il PIT organizza ogni anno due open-day a cui partecipano complessivamente circa un centinaio di studenti universitari. Nel 2014 il PIT ha redatto un fascicolo divulgativo sulla Fusione in corso di stampa sotto l’egida della SIF. Attualmente si sta lavorando alla creazione di uno spazio museale in IFP sulla fusione e si sta riorganizzando il sito WEB dell’Istituto. Tradizionalmente l’IFP organizza in proprio e contribuisce all’organizzazione di Conferenze internazionali e Workshops di Fisica del Plasma, spesso in collaborazione con l’International School of Plasma Physics e l’Associazione Italiana del Vuoto. Inoltre, presso l’IFP si formano un gran numero di laureandi e dottorandi italiani e stranieri che spesso fruiscono di periodi di addestramento presso istituti esteri quali JET, FOM, UKAEA, CEA e IPP. Numerosi giovani ricercatori proseguono poi la loro attività scientifica presso istituti o università italiane e straniere. (literal)
Http://www.cnr.it/ontology/cnr/localizzazione.owl#via
  • Via Roberto Cozzi, 53 (literal)
Cap
  • 20125 (literal)
Città
  • Milano (literal)
Http://www.cnr.it/ontology/cnr/localizzazione.owl#provincia
  • MI (literal)
Telefono
  • 0266173238 - 0266173240 - 0266173241 (literal)
Codice CDS
  • 033 (literal)
Servizi
  • L’Istituto ha contratti per lo studio e la realizzazione di apparati di misura di emissione e propagazione di onde elettromagnetiche da plasmi tokamak, di componenti di sistemi millimetrici di potenza, di calibrazione e caratterizzazione di antenne a microonde per impieghi astronomici satellitari. Nel 2008-9 presso il laboratorio microonde dell'IFP si e' effettuata la calibrazione del \"low frequency instrument\" che e' stato installato sul satellite Planck. Le tradizionali competenze dell'IFP dell'area delle tecnologie a microonde di potenza e la presenza in Istituto di un gyrotron a 28 GHz e 15 kW sono utilizzate per studi di sterilizzazione di alimenti per la grossa distribuzione mediante irraggiamento a RF nell'ambito di un contratto con una industria neozelandese del settore alimentare. Studi analoghi vengono condotti anche mediante l'uso dei reattori a radiofrequenza presenti in Istituto. (literal)
Competenze
  • Il personale scientifico e tecnico dell’Istituto ha maturato competenze nello sviluppo e gestione di complessi impianti per generazione, lancio e trasmissione di onde millimetriche ad alta potenza, comprendenti l’allestimento e l’operazione sul tokamak FTU (ENEA Frascati) di quattro tubi Gyrotron a 140 Ghz, 0.5 MW ciascuno, il progetto e l’allestimento di guide d’onda speciali e sistemi di focalizzazione e collimazione di fasci Gaussiani di potenza a radiofrequenza. L’Istituto possiede un ben attrezzato Laboratorio Onde Millimetriche per una completa caratterizzazione di componenti e sistemi a bassa ed alta potenza, e dispone di codici numerici per il progetto elettromagnetico dei componenti in sviluppo. L’esperienza tecnico-scientifica si estende al trattamento, l’analisi e l’interpretazione dei dati sperimentali, e ha consentito lo sviluppo di tecniche originali di misura di caratteristiche fisiche del plasma e di ottimizzazione delle prestazioni di un tokamak, con speciale riguardo alle proprietà di conduzione termica nel plasma, la generazione non induttiva di corrente, il controllo di instabilità dissipative, la propagazione di onde. La competenza scientifica del personale IFP è particolarmente indirizzata nella formulazione e modellizzazione fisico-matematica di aspetti riguardanti l’interazione lineare e non lineare di onde con plasmi, inclusi problemi di propagazione, radiazione e diffusione di onde elettromagnetiche, e di aspetti importanti della fisica dei tokamak e dei processi di fusione termonucleare, che comprendono i fenomeni di trasporto di calore, aspetti dell’equilibrio e stabilità magnetoidrodinamica, tecniche di misura dei neutroni da reazioni di fusione. I metodi teorici sviluppati e i risultati ottenuti sono spesso applicabili ad altri campi della fisica (ottica, fisica dei laser, astrofisica). E’ stata sviluppata una notevole competenza nella formulazione di codici numerici adeguati ai problemi che si affrontano; tra questi sono particolarmente importanti un codice di propagazione ed assorbimento di fasci gaussiani di onde ciclotroniche elettroniche in geometria tokamak, codici cinetici di Vlasov e Fokker Planck, codici fluidi per lo studio di trasporto ed equilibrio tokamak, alcuni codici di stabilità MHD. Molte di queste attività vengono svolte nell’ambito di collaborazioni riguardanti esperimenti internazionali, e sono orientate ad essere applicate al reattore ITER. L'Istituto ha lunga esperienza nella ricerca di applicazioni industriali del plasma. Sono attivi due laboratori: il Laboratorio Plasma Termico, dove si progettano e si sviluppano sorgenti di plasma per lo studio dell’interazione plasma-sostanze tossiche; il Laboratorio di Plasma Freddo dove si progettano reattori in tecnologia PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) per la modificazione superficiale a livello molecolare dei materiali per il conferimento di nuove proprietà funzionali. (literal)
Email
  • direttore@ifp.cnr.it (literal)
  • mailto:direttore@ifp.cnr.it (literal)
Indirizzo
  • Via Roberto Cozzi, 53 - 20125 Milano (MI) (literal)
Direttore
Missione
  • La missione principale dell’IFP è di sviluppare attività di Fisica e tecnologie volte (a) alla realizzazione del prototipo sperimentale di reattore a fusione ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), in fase di costruzione in Francia, e di contribuire al suo successo scientifico; (b) alla partecipazione al progetto concettuale di DEMO; (c) alla formazione della nuova generazione di ricercatori nei settori Plasmi e Fusione. In questi ambiti, il settore di elezione della ricerca svolta da circa tre decenni in IFP riguarda lo sviluppo della fisica dell'interazione di onde elettromagnetiche di potenza con plasmi di laboratorio, delle sue applicazioni al riscaldamento di plasmi termonucleari confinati magneticamente e delle tecnologie relative. Un'altra area di competenze dell'IFP comprende lo sviluppo, la progettazione, l'installazione e l'uso scientifico di diagnostiche di plasmi termonucleari quali la spettroscopia di neutroni e raggi gamma, la riflettometria, il collective Thomson scattering (CTS) e la misura degli spettri di emissione di radiazione di ciclotrone degli elettroni (ECE). É inoltre attiva una linea di ricerca che riguarda lo sviluppo di tecnologie per la caratterizzazione delle alterazioni della superficie di materiali esposti agli alti flussi termici previsti nel reattore a fusione e delle tecniche di deposizione di film sottili su materiali metallici e su materiali polimerici, con ricadute applicative in differenti settori tecnologici anche non fusionistici. IFP svolge tradizionalmente anche attività di sviluppo di modelli teorici per lo studio dei processi fondamentali di fisica del plasma e della loro applicazione a problemi propri della fusione termonucleare. Tra questi ultimi di particolare rilievo per l'IFP sono gli studi delle proprieta' di propagazione e assorbimento della radiazione elettromagnetica nei plasmi confinati magneticamente in configurazioni toroidali, delle proprieta' di trasporto di particelle, momento ed energia dei plasmi da tokamak, e delle instabilità magnetoidrodinamiche nei plasmi da fusione. Infine l'IFP contribuisce alla formazione scientifica nel campo della fusione di numerosi giovani ricercatori, sia mediante corsi svolti presso l'Università e il Politecnico di Milano, sia seguendo tesi di laurea e di dottorato presso la propria sede, sia con il conferimento di assegni di ricerca e borse di dottorato. (literal)
Attività di ricerca
  • FISICA SPERIMENTALE DELL’INTERAZIONE DI PLASMI CON ONDE CICLOTRONICHE ELETTRONICHE E TECNOLOGIE RELATIVE La quasi totalità dell’attività di ricerca è svolta nell’ambito del contratto di Associazione EURATOM-ENEA-CNR sulla Fusione (1, 2, 3). L’attività al punto 4 è svolta in collaborazione con IASF-CNR sotto contratto. 1. Esperimento ECRH in FTU L’applicazione di onde elettromagnetiche in plasmi da fusione si è rivelato elemento fondamentale per il raggiungimento delle temperature necessarie per almeno due motivi essenziali: la capacità di depositare calore nel centro del plasma, dove è meglio confinato e dove il riscaldamento per effetto resistivo è meno efficace; la capacità di migliorare l’equilibrio e le proprietà di confinamento mediante opportuna modifica dei profili termodinamicamente rilevanti. Ciò è particolarmente vero per onde a cortissima lunghezza d’onda, dell’ordine del millimetro, quali quelle utilizzate per il riscaldamento risonante con il moto di girazione degli elettroni attorno alle linee di forza del campo confinante (Electron Cyclotron Resonance Heating). L’Istituto ha dedicato molte risorse a questa specifica applicazione, che richiede oltre tutto l’impiego di componentistica a microonde di potenza non convenzionale, con un notevole sforzo di R&D dedicato. Elemento centrale della linea di ricerca è la sperimentazione ECRH, in collaborazione con ENEA, sul tokamak FTU al Centro Ricerche di Frascati. L’esperimento utilizza come generatori di potenza a onde millimetriche quattro gyrotron a 140 Ghz, della potenza di 0.5 MW ciascuno, per una lunghezza d’impulso massimo di 0.5 s. La caratteristica principale di questa applicazione r.f. è la possibilità di un controllo preciso spazio-temporale delle modalità di riscaldamento. In particolare, il punto di deposizione all’interno della colonna di plasma è controllabile sia mediante il campo magnetico di confinamento, sia mediante un opportuno brandeggio dei fasci di onde millimetriche. Oltre al riscaldamento ottimizzato, dunque, è possibile utilizzare ECRH per accurati studi sulle proprietà di confinamento del plasma stesso confrontando la causa (distribuzione delle sorgenti di calore, ben nota) con l’effetto (distribuzione della temperatura, ben misurabile). Gli studi sul confinamento possono essere fatti sia in condizioni stazionarie, applicando ECRH costante durante l’impulso, sia durante i transienti modulando opportunamente la potenza. Il controllo del punto di deposizione delle onde EC consente la modifica dei profili di temperatura elettronica, pressione cinetica, densità di corrente, con effetti importanti su stabilità e confinamento. In particolare, l’uso di ECRH ha un grande potenziale nel controllo attivo di instabilità magnetoidrodinamiche. La flessibilità dello strumento Electron Cyclotron è ulteriormente accresciuta dalla possibilità di ottenere, oltre a riscaldamento elettronico localizzato, generazione localizzata di corrente non induttiva. Si può in tal modo predisporre in una certa misura il controllo diretto del profilo di densità di corrente nel tokamak, con diretti effetti sul suo equilibrio e stabilità. 2. Ricerca e Sviluppo nel Laboratorio Onde Millimetriche Per la realizzazione di esperimenti ECRH su plasmi confinati in macchine tokamak, è necessario provvedere allo sviluppo del progetto e alla realizzazione di tutte le parti del sistema di trasmissione e irraggiamento delle onde di potenza (0.5 MW) ad alta frequenza (140 Ghz) necessari. Non esistono, al momento, applicazioni differenti che ne abbiano motivato lo sviluppo, e gli stessi generatori sono stati sviluppati per questa specifica applicazione. Il sistema è in generale composto da un oscillatore di potenza di tipo gyrotron, che eroga le onde nella forma di un fascio gaussiano, da una linea di trasmissione sovramodata, e da componentistica quasi-ottica alle due estremità per l’accoppiamento al plasma da un lato e al gyrotron dall’altro. Tutti i componenti sono progettati ad hoc, e devono essere preventivamente caratterizzati elettromagneticamente con specifiche procedure di misura in bassa potenza. Tutti gli aspetti dello sviluppo di questi componenti, e l’esperienza operativa acquisita con il loro uso, sono di rilevante interesse per il progetto ITER. In particolare, IFP ha sviluppato un suo progetto per un carico adattato per onde millimetriche di grande potenza, capace di misura bolometrica della potenza assorbita, utilizzabile in esperimenti ECRH di grandi dimensioni, incluso ITER. Analogamente allo sviluppo di componenti di potenza, la caratterizzazione della propagazione delle onde e.m., sia all’interno del sistema di trasmissione sia dopo l’irraggiamento sul plasma, richiede lo sviluppo di tecniche di misura e di strumentazione ad hoc. 3. Partecipazione a progetti ed esperimenti ECRH in ambito internazionale Alcune delle metodologie sperimentali adottate con successo in FTU sono state inventate e messe a punto da IFP, e adottate in altri esperimenti in Europa ed altrove. In particolare, la tecnica di misura della radiazione non assorbita mediante sonde speciali è attualmente in uso o prevista sugli stellarator W7-AS e W7-X, dei Max Planck Institute a Garching e Greifswald (D), sul tokamak TCV del CRPP, Losanna (CH), sullo stellarator Large Helical Device in Giappone. Un originale metodo di caratterizzazione delle proprietà locali di confinamento mediante ECRH modulata in potenza, con particolare riferimento alla dipendenza della diffusività termica elettronica dal gradiente di temperatura, applicato con successo su FTU, è programmato sul tokamak ASDEX-U del MPI, Garching (D), sul tokamak TCV del CRPP, Losanna (CH), sul tokamak Tore Supra del CEA a Cadarache (F), sul tokamak DIII-D della General Atomics a San Diego (USA). L’Istituto lavora attivamente allo sviluppo e realizzazione di una nuova strumentazione per misure con onde millimetriche sul tokamak Europeo JET-EP. 4. Attivita' Planck-LFI Le metodologie e tecniche di analisi di segnale sviluppate per la caratterizzazione della componentistica di potenza, e per la realizzazione di diagnostiche a onde millimetriche, ben si adattano alla applicazione in molti campi della ricerca scientifica e tecnologica, tra i quali è di particolare rilevanza la ricerca astronomica satellitare. In particolare, le antenne ad altissimo guadagno necessarie per l’esplorazione della radiazione cosmica di fondo da satellite richiedono una caratterizzazione di estremo dettaglio prima del lancio. Ciò viene eseguito in IFP in buona parte mediante le tecniche e la strumentazione sviluppata per la caratterizzazione dei sistemi di irraggiamento di potenza. L’estensione delle capacità di misura di IFP nel campo delle onde millimetriche anche al di fuori della problematica fusionistica ha un grande effetto sinergico, e costituisce un valore aggiunto alle potenzialità dell’Istituto. TECNOLOGIE DEL PLASMA E DELLA FUSIONE TERMONUCLEARE Le ricerche riguardanti le applicazioni industriali del plasma sono svolte lungo due direttrici di sperimentazione, mediante l’utilizzo di due differenti tipologie di plasma (1, 2). Queste attività, completamente finanziate da contratti di ricerca stipulati con industrie nazionali, hanno finora portato al deposito di un brevetto industriale inerente il “Trattamento al plasma di fibre tessili (naturali, sintetiche e composite) e di pellami animali per il conferimento alla superficie di proprietà di repellenza ai liquidi (idrorepellenza e oleorepellenza)”. Le ricerche inerenti le tecnologie del plasma per la fusione termonucleare controllata sono effettuate nell’ambito del contratto di Associazione EURATOM-ENEA-CNR sulla Fusione (3, 4). 1. Modificazioni superficiali dei materiali indotte dal plasma Il plasma freddo generato da radiofrequenza a 13,56 MHz con accoppiamento capacitivo, in ambiente sottovuoto, viene utilizzato per lo studio delle modificazioni superficiali dei materiali in svariati campi di applicazione industriale. Con l’utilizzo di tale tecnologia è possibile attivare la superficie di diverse tipologie di materiali e produrre su di esse una modificazione della struttura molecolare innestando nuovi gruppi funzionali che conferiscono alla superficie nuove proprietà chimico-fisiche mantenendo inalterate le caratteristiche del “bulk” del materiale stesso. E’ in tal modo possibile attivare la superficie in funzione del miglioramento del grado di adesione, del conferimento di proprietà di repellenza all’acqua o, viceversa, di aumento della capacità di assorbimento di acqua. E’ inoltre possibile la formazione, mediante processi di polimerizzazione in plasma, di film barriera anti-permeazione dei gas o per il controllo del coefficiente di permeazione del materiale o per la modificazione del coefficiente di attrito della superficie. Studi sono anche in corso per evidenziare la capacità di trattamento antibatterico. E’ inoltre dimostrata la capacità di utilizzo delle suddette tipologie di plasma anche nell’area del trattamento di sostanze organiche particolarmente tossiche, derivanti da residui dell’industria petrolchimica e intrattabili con gli attuali processi. 2. Distruzione di sostanze organiche tossico nocive Il plasma termico, prodotto con l’utilizzo di torce al plasma ad arco non trasferito, operante a pressioni superiori all’atmosfera, garantisce l’impatto sulle sostanze da trattare di un alto flusso di particelle termalizzate e il raggiungimento di una temperatura del campione tale da portare alla vetrificazione del residuo secco. Questa tecnologia permette la completa distruzione delle molecole organiche tossiche provocata sia dall’effetto termico sia dal bombardamento degli ioni presenti nel plasma. Il successivo processo di ricombinazione molecolare porta alla formazione di composti organici semplici e non pericolosi. Esperimenti sono stati condotti su sostanze organo-alogenate e su residui dell’industria chimica e petrolchimica con buoni risultati. 3. Separazione di ioni in un plasma, mediante forze ponderomotrici generate da potenza RF Nell’ambito del contratto di Associazione Euratom/ENEA/CNR sulla Fusione è in corso di sperimentazione una macchina a plasma a confinamento magnetico con geometria a cuspide, appositamente progettata e realizzata, per dimostrare la possibilità di separazione di ioni di differente specie mediante uso di radiofrequenza (RF). Una prima versione di macchina con accoppiamento induttivo della radiofrequenza ha dimostrato la capacità di “plugging” degli ioni idrogeno, quando venga applicata una potenza RF con frequenza risonante alla frequenza ciclotronica ionica dello ione in esame in condizioni definite di campo magnetico. L’attuale macchina, ad accoppiamento capacitivo, dovrà dimostrare, oltre all’effetto di plugging, la capacità di separazione e di estrazione degli ioni idrogeno a partire da molecole composite di idrogeno con altri elementi. La ricerca è di particolare interesse per il recupero di tritio da impurezze tritiate provenienti dagli scarichi dei futuri reattori a fusione termonucleare. 4. Sviluppo di strumentazione per l'analisi superficiale di materiali Lo sviluppo di strumentazione per l'analisi superficiale di materiali ha portato alla realizzazione di un apparato di analisi di superficie adatto per lo studio e la caratterizzazione degli effetti indotti dall’interazione plasma-materiali di prima parete delle attuali macchine per la fusione quali RFX e FTU. E’operativo un sistema di analisi basato su tecniche XPS, AES, ISS, LEED, SIMS per la caratterizzazione chimico-fisica delle superfici e per la misura dei profili di concentrazione dei gas occlusi e degli elementi negli strati profondi del materiale. TEORIA DEI PLASMI E DELLA FUSIONE TERMONUCLEARE L’attività teorica è orientata prevalentemente verso la formulazione di modelli fisico-matematici, la creazione di codici di calcolo e l’applicazione alla predizione ed interpretazione di esperimenti. Tale attività si sviluppa in un ambito internazionale molto vasto sfruttando sia i legami istituzionali dell’IFP con l’Euratom sia i numerosi contatti scientifici personali. Il risultato è un panorama culturale ampio ed una capacità di adattare flessibilmente il lavoro alle necessità contingenti. Alcuni impegni, remunerativi per l’Istituto richiedono la scelta certa di priorità nella esecuzione di diversi compiti. Tra questi, negli ultimi anni, sono cresciuti di importanza sia gli impegni di partecipazione di personale teorico, con posizioni di responsabilità di coordinamento di esperimenti, presso “task forces” del JET-EFDA ed ASDEX-U (IPP), sia i lavori sotto contratto per il JET-EFDA ed ITER. E’ in corso di avvio una analoga partecipazione alla preparazione di esperimenti su Tore-Supra (CEA). 1. Fisica dell’interazione onde–plasma negli esperimenti per la fusione L’attività di sostegno teorico agli esperimenti di trasferimento di energia a radiofrequenza ad un plasma si concretizza nello sviluppo ed aggiornamento continuo di diversi modelli analitici e numerici di interazione onde-plasmi. Presso l’IFP è stato sviluppato un codice di propagazione in geometria toroidale per fasci finiti (gaussiani) di onde e.m risonanti alla frequenza ciclotronica elettronica (EC), includente effetti di diffrazione. Il codice effettua il calcolo lineare della potenza RF assorbita e della corrente generata non induttivamente (ECCD) da meccanismi cinetici associati all’assorbimento delle onde EC, usando una trattazione relativistica per plasma caldo. Versioni complementari di questo codice permettono studi predittivi/interpretativi dello spettro di emissione di radiazione e.m. (ECE) dal plasma magnetizzato tokamak in situazioni di equilibrio termodinamico locale o in presenza di distribuzioni elettroniche non maxwelliane. Codici di tipo fluido, utilizzati per la simulazione della dinamica della scarica tokamak e di “trasporto” di energia, inglobano il calcolo di potenza RF e corrente non induttiva e sono stati specializzati per l’interpretazione degli esperimenti su diversi tokamak, avendo come dati di ingresso i relativi dati sperimentali. Recentemente, questi codici sono stati utilizzati per i calcoli relativi alla pianificazione e interpretazione dell’esperimento ECRH su FTU, i calcoli di progetto di un sistema di lancio di onde EC per generazione di corrente non induttiva per esperimenti di stabilizzazione di instabilità tearing neoclassiche sul JET, i calcoli di diffusione coerente di onde millimetriche per lo studio di una diagnostica per il progetto ITER, gli studi predittivi della distribuzione della potenza residua EC non assorbita per il tokamak FTU, con riscontro sperimentale, e per lo stellarator W7-X (D). L’impiego massiccio di questo tipo di codici in situazioni diverse richiede un continuo lavoro di aggiornamento scientifico e tecnico per garantire accuratezza e versatilità. Problemi dell’interazione con plasmi magnetizzati di onde EC, o di onde (Lower Hybrid) LH, o combinazioni di onde EC ed LH, sono studiati in parte con metodi analitici e in parte con un codice cinetico del tipo Fokker-Planck, sviluppato tramite una collaborazione internazionale. Con riferimento ad esperimenti di interazione di onde di Bernstein ioniche in tokamaks, l’analisi degli aspetti cinetici dell’interazione onda-plasma viene condotta mediante l’uso di codici di simulazione di tipo Vlasov-Maxwell. Questi studi sono basati sull'integrazione numerica delle equazioni cinetiche di Vlasov per ioni ed elettroni in presenza di un’onda elettrostatica esterna, e delle equazioni di Maxwell per i campi autoconsistenti. 2. Studi predittivi e interpretativi di trasporto e MHD nei tokamak Una ricerca molto attiva ha portato a considerare e verificare nuovi concetti relativi alla diffusività termica e ai principi di rigidità dei profili di temperatura e pressione di un tokamak, in risposta alle sorgenti di riscaldamento ausiliario. Alcuni codici di trasporto sono usati specialisticamente, in connessione con i dati sperimentali dei tokamak JET, ASDEX-U, FTU, per studi di propagazione del calore in un tokamak, in regime stazionario o transitorio. Tra le applicazioni importanti della fisica delle onde e.m. nei plasmi tokamak vi è la possibiltà di influire sulle instabilità resistive (“tearing”) che formano “isole magnetiche” e costituiscono uno dei problemi cruciali nella realizzazione di un regime termonucleare controllato in un tokamak. Presso l’IFP sono stati sviluppati diversi modelli teorici di riconnessione magnetica riguardante in particolare la risposta MHD a perturbazioni di campi magnetici elicoidali esterni e di correnti ECCD localizzate sulle “isole”, al fine di stabilizzarle. Applicazioni della teoria all’interpretazione di fenomeni osservati su JET ed a FTU hanno trovato significativo riscontro sperimentale e rivestono un ruolo importante per la definizione degli scenari operativi ITER. La fisica del tokamak in regimi di fusione nucleare viene studiata all’IFP anche per tokamak a campo magnetico ultra intenso (IGNITOR), con valutazioni dei percorsi di avvicinamento al regime di ignizione e calcolo delle prestazioni possibili, tenendo conto dei vincoli di realizzabilità ingegneristica. 3. Sviluppo di problemi teorici di principio Una linea di ricerca sviluppa diversi problemi di principio, che riguardano sia i modelli di plasma a livello cinetico, con possibili applicazioni a plasmi diversi da quelli dei tokamak, e nel limite magnetoidrodinamico (MHD), sia tematiche generali. Sono investigati diversi problemi di fisica del plasma nonlineare, con particolare riferimento alla transizione da regimi regolari a regimi stocastici. Una buona competenza in formalismi di dinamica analitica è alla base delle ricerche teoriche che vengono condotte con metodi analitici e numerici. Tali sviluppi ampliano l’orizzonte culturale e permettono spesso originali interventi sui problemi applicati. Negli anni recenti, l’intensità dei laser è drammaticamente aumentata di ordini di grandezzza, aprendo la possibilità di nuovi regimi nell’interazione laser-plasma. In IFP sono anche in atto studi relativi all’interazione non lineare onda-plasma, e del processo di accelerazione di elettroni e ioni tramite laser. 4. Progettazione e sviluppo di diagnostiche per la fusione Lo sviluppo di modelli ed il progetto di sistemi di misurazione dei flussi di neutroni da fusione a 14 MeV ed a 2.5 MeV sono oggetto della cooperazione con l’Università di Milano-Bicocca e di Uppsala (S) ed in tale ambito è in atto la realizzazione di uno spettrometro a neutroni per il JET. Lo schema di una diagnostica della popolazione di particelle alfa da fusione tramite “scattering” collettivo (Collective Thomson Scattering) è sviluppato per il progetto ITER, sulla base dell’esperienza acquisita nella progettazione dell’esperimento CTS in FTU. (literal)
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