Descrizione della commessa "Sviluppo di Impianti e Strumentazione per i Plasmi e per la Fusione Termonucleare (ET.P05.002)"

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  • Descrizione della commessa "Sviluppo di Impianti e Strumentazione per i Plasmi e per la Fusione Termonucleare (ET.P05.002)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Sul lungo periodo la ricerca sulla fusione termonucleare porterà alla realizzazione di centrali a fusione intrinsecamente sicure, ad impatto ambientale limitato, con scorie radioattive con tempi di decadimento relativamente brevi. La commessa ha sicuramente un ruolo nella comprensione e nel controllo di alcuni processi alla base della fisica e delle tecnologie necessarie per la realizzazione della fusione nucleare. Le attività di ricerca nell'ambito della fusione portano inoltre allo sviluppo di diverse tecnologie pregiate dalle numerose applicazioni potenziali, dalle telecomunicazioni all'astronomia millimetrica, ad alcuni tipi di diagnostiche mediche. Gli studi svolti in laboratorio sulle applicazioni di plasmi generati con scariche RF consentono inoltre possibili usi volti al miglioramento delle caratteristiche superficiali dei materiali, alla produzione di diamanti artificiali, al trattamento di rifiuti speciali mediante torce al plasma. (literal)
Strumentazione
  • - Lanciatore di potenza EC con specchi mobili a bassa inerzia - Profilometri ottici e a forza atomica per misure dimensionali di precisione, misure di rugosità e di struttura superficiale. - Reattori al plasma RF a 13.56 MHz per sputtering, magnetron sputtering e plasma enhanced chemical vapor deposition. - Sorgente di radiofrequenza a 13.56 MHz, 300 e 600 W. - Sorgente di radio frequenza a 2.45 GHz, 3 KW. - Sorgente di radiofrequenza a 2.45 GHz da 1.6kW in continua /8Kw impulsato - Spettroscopio ottico ad alta risoluzione - Spettrometro di massa. - Prototipo di microtorcia al plasma. - Gyrotron a 28 GHz, 15 KW. - Solenoide da 1 T - XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy - SIMS Secondary Ions Mass Spectroscopy - ESCA - Macchina lineare GyM (r= 125mm, L= 2100mm, B=1350G) - Intensificatore d'immagine da utilizzarsi in combinazione con video-camera veloce - Spettroscopio veloce a singolo canale (350-1000 nm). - Sistema di amplificazione di tensione per array di sonde elettrostatiche. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Lo studio delle applicazioni del riscaldamento del plasma alla frequenza ciclotronica elettronica, insieme alla realizzazione della diagnostica Collective Thomson Scattering per la misura della temperatura ionica, in condizioni di interesse per ITER, sono le tematiche con cui la Commessa partecipa agli esperimenti sul tokamak FTU dell'Enea. La ricerca sull'interazione plasma-parete è centrata su studi di modificazioni morfologiche superficiali di materiali di prima parete dei tokamak e sulla dinamica di \"dust\" studiata con sviluppo di sonde e codici numerici predittivi. Lo sviluppo delle tecniche di deposizione su substrati metallici di film sottili, con sputtering al plasma o con Pulsed Laser Deposition, sono inquadrate in questo campo insieme a studi di erosione di materiali ed allo sviluppo di tecniche di deposizione di film Diamond-like-Carbon con microtorcia al plasma. Sulla macchina GyM si studiano le instabilità turbolente che riducono il confinamento di energia e particelle legate alle disomogeneità (densità, temperatura, campi elettrici). Sono possibili anche studi sulle instabilità di tipo \"blob\". (literal)
Competenze
  • - Fisica e modellistica dell'interazione tra plasmi e onde ciclotronico-elettroniche. - Fisica e modellistica per l'interpretazione di risultati di diagnostiche da fusione. - Fisica e modellistica delle polveri (dust) in plasmi da fusione e da laboratorio. - Progettazione e sviluppo di impianti per iniezione di potenza a microonde nei plasmi magnetizzati. - Progettazione e costruzione di diagnostiche di plasmi da fusione e da laboratorio. - Sviluppo di componenti per onde millimetriche di potenza. - Sviluppo e utilizzo di strumentazione per onde millimetriche a bassa e alta potenza. - Progettazione e realizzazione di sistemi di controllo e di acquisizione dati - Fisica e chimica di processi al plasma. - Uso di reattori RF capacitivi, di microtorce al plasma e di tecniche PLD per la deposizione di film sottili su substrati di vario genere. - Tecnologie e tecniche di laboratorio, vuoto ed ultravuoto. Tecniche di analisi di superfici con SIMS, ESCA, XPS. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Le tecniche di deposizione al plasma di film sottili sono alla base di possibili collaborazioni con industrie alle quali può essere trasferito il know-how dei processi sviluppati. In modo analogo lo sviluppo di sorgenti di plasma ad alta ionizzazione basate su RF o microonde di potenza apre a prospettive di applicazioni in differenti campi industriali per il trattamento dei materiali. L'esperienza maturata nell'uso di RF può essere anche utilizzata nei settori del trattamento di rifiuti speciali,radaristico e di particolari diagnostiche mediche. Lo sviluppo di modelli numerici per l'interpretazione dei dati sperimentali e per la riproduzione dei fenomeni interessati. Tra i vari settori che possono avere impiego anche in processi produttivi ci sono: sviluppo di modelli numerici per problemi di elettromagnetismo sviluppo di sistemi di controllo automatico di apparecchiature complesse sviluppo di software per la gestione di sistemi di acquisizione dati a ciclo continuato tecniche per la generazione di plasmi in ambito industriale e il controllo delle sue grandezze fisiche sviluppo di sistemi diagnostici per plasmi, costituiti da sonde di vario tipo o tecniche ottiche non intrusive. (literal)
Tecnologie
  • - tecnologie per sistemi da ultra-alto vuoto - tecnologie per sistemi di acquisizione dati veloci - tecnologie per la realizzazione di componenti meccaniche per sistemi da ultra-alto vuoto - tecnologie per la generazione di plasma - tecnologia della Radio Frequenza e delle microonde di potenza e di segnale - Modelli analitici e numerici (sviluppati in IFP) per plasmi multispecie in regimi fluidi e cinetici - Codici commerciali per calcoli di configurazioni magnetiche (ANSYS) e acquisizione /elaborazione dati (Matlab, Labview, Mathematica). (literal)
Obiettivi
  • Il contributo della Commessa alla campagna sperimentale 2015 sul tokamak FTU consisterà nel garantire la funzionalità e la gestione dell'impianto ECRH, e nel partecipare a esperimenti scientifici. La sperimentazione legata al progetto di Enabling Research sul CTS avrà la priorità rispetto alle altre attività collegate con FTU. L'attività del Gruppo Plasma-Parete dovrà essere rafforzata, con particolare specializzazione negli studi di erosione e ritenzione. Risultati sulla formazione di ammoniaca in plasmi misti D/N sono attesi come conferma di una competenza in via di sviluppo. GyM continuerà lo studio di processi fisici tipici della regione di bordo, integrando l'apparato diagnostico per migliorare la capacità nel rispondere alle richieste dei task Eurofusion, affermando sempre più l'uso di GyM come facility per lo studio dell'interazione plasma-parete. Si rafforzerà il ruolo di formazione e di addestramento di IFP teso a inserire giovani ricercatori nel programma europeo sulla fusione termonucleare. (literal)
Stato dell'arte
  • I temi di ricerca della Commessa sono inseriti nel programma europeo sulla fusione termonucleare a confinamento magnetico che ha come obiettivo la costruzione e lo sfruttamento di ITER. I principali argomenti, direttamente connessi a questa linea, sono lo studio e lo sviluppo delle problematiche collegate alla gestione e all'utilizzo dei sistemi di riscaldamento addizionali in un tokamak, quale il sistema ERCH di FTU, e la problematica dell'interazione tra il plasma e la parete del reattore, con una diretta influenza sulle prestazioni energetiche della fusione. In questo aspetto ha grande importanza lo studio e la caratterizzazione di materiali in grado di sostenere alti carichi termici e flussi di particelle cariche. La ricerca è svolta realizzando campioni di materiali (mediate tecniche di deposizione di film sottili) e di sottoporli a plasmi di laboratorio o di tokamak. L'analisi delle modificazioni indotte dal plasma permette di ottimizzare e individuare i migliori candidati da utilizzarsi in ITER. Parallelamente si persegue lo studio della fisica dei plasmi di bordo, simulandoli con piccole macchine da laboratorio (simili a GyM) secondo la logica degli esperimenti in scala. (literal)
Tecniche di indagine
  • - Preparazione e conduzione di esperimenti con iniezione di potenza a radio-frequenza in plasmi tokamak; - Analisi radiazione stimolata emessa dal plasma; - Analisi superficiali di materiali con XPS, SIMS, LEED, ISS, FTIR (Fourier Transform Infrared); - Caratterizzazione di film sottili su substrati metallici con SEM (Secondary Electron Microscopy), AFM (Atomic Force Miscroscopy), XRD (X-ray Diffractometry), spettroscopia Raman ed Elissometria; - Analisi di scariche a plasma con Spettroscopia, Gascromatografia, Spettrometria di Massa, sonde RF e sonde di Langmuir; - Codici per calcoli di magnetostatica e per studio di dinamica di dust in ambiente tokamak; - Misura di spettri di fluttuazione di plasma fino a 125kHz; - Analisi di strutture coerenti in dati provenienti da diverse diagnostiche dei plasmi; - Tecniche di Analisi di Immagini da video-camera veloce per la rilevazione di strutture coerenti. (literal)
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