Spettroscopia neutronica dei plasmi termonucleari

La misura dello spettro energetico dei neutroni prodotti dalle reazioni di fusione 

D+D→3He + n (2.5 MeV)  e D + T →4He + n (14 MeV) 

rappresenta un potente strumento diagnostico del plasma.

Lo spettro dei neutroni emesso è allargato per il cosiddetto effetto Doppler e, nel caso di plasmi con distribuzione degli ioni deuterio (D) e trizio (T) di tipo Maxwelliana (ovvero plasmi in equilibrio termico e in assenza di riscaldamanto esterno), lo spettro è esattamente una Gaussiana con una larghezza proporzionale alla radice quadrata  della temperatura degli ioni D e T (chiamata temperature ionica, Ti). Essendo l’allargamento abbastanza piccolo, ad esempio circa 500 keV per i neutroni da 14 MeV della reazione D+T quando Ti è di 10 keV, è necessario adoperare spettrometri di neutroni ad elevata risoluzione energetica. Inoltre, per poter seguire l’evoluzione temporale del plasma è richiesto che gli spettrometri abbiano elevate capacità di conteggio, fino a circa 1 MHz. Nel caso di presenza di riscaldamento esterno (tipicamente di tipo NBI o ICRH) lo spettro non è più Gaussiano e sono necessari modelli opportuni per poter ricavare informazioni sulle distribuzioni di velocità, questa volta non più Maxwelliane, degli ioni D e T. In particolare, con la spettroscopia neutronica si può misurare la presenza di cosiddetti ioni minoritari veloci, accelerati dal riscaldamento esterno. Il gruppo di neutroni/gamma di IFP svilluppa gli spettrometri neutronici ed i codici necessari per poter interpretare gli spettri misurati.

Spettrometri neutronici e gamma installati al JET
Spettrometri neutronici e gamma installati al JET

Spettroscopia gamma dei plasmi termonucleari

Un plasma termonucleare emette raggi gamma generati dall’interazione di ioni veloci (con energie tipiche dal MeV in su) con impurezze leggere presenti nel plasma, tipicamente 12C o 9Be. Dalla misura dello spettro energetico dei raggi gamma emessi è possibile ricavare informazioni sulla distribuzione di velocità degli ioni veloci che li hanno generati. Rispetto alla spettroscopia neutronica, la misura richiede apparati sperimentali in parte più semplici, ma l’interpretazione è più complicata in quanto di solito non esiste una relazione diretta tra la larghezza dello spettro gamma misurato e la temperatura associata allo ione veloce.

La spettroscopia gamma sarà  di grande importanza per i futuri cosiddetti plasmi che bruciano,  quali ad esempio ITER o DEMO.  Questi plasmi produrranno significativamente molta più energia di quanto ne viene immessa per mantenerli caldi. Nel caso di ITER si punta ad avere un guadagno energetico di circa 10. Dalla misura dei raggi gammi da 4.45 MeV emessi dalle reazioni tra le  particelle alfa da fusione con impurezze di 9Be si possono ricavare informazioni sulle particella alfa stesse. Le particelle alfa hanno un ruolo chiave in un plasma che brucia in quanto, depositando la loro energia di circa 3.5 MeV nel plasma stesso, sono le responsabili del cosiddetto autosostentamento del plasma. Il gruppo neutronico/gamma di IFP sviluppa spettrometri gamma per il tokamak JET, sta progettando la camera a raggi gamma di ITER e sviluppa i codici numerici necessari all’interpretazione dei dati raccolti.

 

Fotorivelatore MPPC
Fotorivelatore MPPC sviluppato per spettrometri gamma compatti

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