A novel method for DT fusion power measurement in magnetic confinement plasmas based on the gamma ray emission from the D(T,⁵He)γ reaction

Fusion energy is preparing to provide electricity production in the next decades by burning Deuterium-Tritium (DT) plasmas inside magnetic confined fusion devices. Among other parameters, the fusion energy will have to be constantly monitored for safety reasons. Presently, the only direct technique available for measuring the fusion yield relies on the absolute counting of the neutrons released in the fusion reactions. Though, this standard technique is based on the combined use of different diagnostics and requires extensive in-situ calibration campaigns together with detailed numerical Monte Carlo simulation of the entire reactor. Nonetheless, future fusion power plants will require two independent methods for monitoring the fusion energy. In a DT fusion nuclear reaction, though, there is a tiny probability (around 10⁻⁵) for deuterium and tritium to produce a gamma ray before splitting into neutrons and ⁴He nuclei. The absolute measurement of this radiation could be used as a second direct method to measure the fusion power. The simpler gamma rays interactions with the environment simplifies the absolute calibration making it less dependent on the tokamak environment. Unfortunately, the branching ratio of the radiative decay is poorly known (the published values present in literature span over two orders of magnitude, from 1.2⋅10⁻⁴ down to 5.6⋅10⁻⁵), thus preventing its deployment as a mean for fusion yield determination. In addition, the actual feasibility to absolutely measure this small emission in a reactor-like environment has never been demonstrated before. This thesis is about the development of a novel technique for fusion yield measurement based on the absolute counting of the total DT gamma ray emission. Since a DT plasma was needed to develop, test and prove the technique reliability, the Joint European Torus second DT campaign (the DTE2, carried out at the end of 2021) was exploited as a unique opportunity. The efforts lead to three first of a kind measurements: the first direct measurement of the DT radiative emission spectral distribution; the first absolute measurement in a magnetic confinement plasma of the total DT gamma ray emission; the first measurement of the DT gamma-to-neutron branching ratio in a magnetic confinement plasma. This thesis describes the procedure adopted to measure the total DT gamma ray yield of 96 DT plasma discharges from the DTE2. The results were validated through a comparison with the neutron yields provided by the Joint European Torus neutron monitors, revealing a delightful 0.983 linear correlation coefficient between the two quantities. This work has shown the feasibility to employ the DT gamma ray emission as a secondary indicator for measuring the fusion power in magnetic confined DT plasmas. At last, studies about the method application for fusion power determination at the tokamak ITER in high power, DT plasma scenarios have demonstrated that the measurements would satisfy the machine protection requirements.

La fusione nucleare sta procedendo nella direzione di fornire energia elettrica nei prossimi decenni tramite plasmi di Deuterio-Trizio (DT) all'interno di dispositivi a fusione a confinamento magnetico. Tra gli altri parametri, l'energia di fusione dovrà essere costantemente monitorata per motivi di sicurezza. Attualmente, l'unica tecnica diretta disponibile per misurare l'energia da fusione si basa sul conteggio assoluto dei neutroni rilasciati nelle reazioni di fusione. Tuttavia, questa tecnica standard si basa sull'uso combinato di diverse diagnostiche e richiede estese campagne di calibrazione in situ, insieme a dettagliate simulazioni numeriche Monte Carlo dell'intero reattore. Le future centrali a fusione, però, richiederanno due metodi indipendenti per monitorare l'energia di fusione. Per ciascuna reazione nucleare DT, esiste una piccola probabilità (circa 10⁻⁵) che deuterio e trizio producano un raggio gamma prima di scindersi in neutroni e nuclei di ⁴He. La misura assoluta di questa radiazione potrebbe essere utilizzata come secondo metodo diretto per misurare la potenza di fusione. Le più semplici interazioni dei raggi gamma (rispetto ai neutroni) con l'ambiente ne semplificano la calibrazione assoluta, rendendola meno dipendente dall'ambiente del tokamak. Purtroppo, la probabilità del decadimento radiativo è poco conosciuta (i valori pubblicati in letteratura variano su due ordini di grandezza, da 1,2⋅10⁻⁴ fino a 5,6⋅10⁻⁵), impedendone così l'utilizzo come mezzo per la determinazione della potenza di fusione. Inoltre, la reale fattibilità di misurare in modo assoluto questa piccola emissione in un ambiente simile a quello di un reattore non è mai stata dimostrata prima. Questa tesi riguarda lo sviluppo di una nuova tecnica per la misurazione della potenza di fusione basata sul conteggio assoluto dell'emissione totale di raggi gamma DT. Poiché era necessario un plasma DT per sviluppare, testare e dimostrare l'affidabilità della tecnica, la seconda campagna DT del Joint European Torus (DTE2, condotta alla fine del 2021) ha rappresentato un'imperdibile opportunità. Gli studi e l'analisi dei dati hanno hanno portato a tre misurazioni prime nel loro genere: la prima misurazione diretta della distribuzione spettrale dell'emissione radiativa DT; la prima misurazione assoluta in un plasma a confinamento magnetico dell'emissione totale di raggi gamma DT; la prima misurazione della probabilità di emissione dei raggi gamma rispetto ai neutroni in una reazione a DT mai eseguita in un plasma a confinamento magnetico. Questa tesi descrive la procedura adottata per misurare il rendimento totale di raggi gamma DT di 96 scariche di plasma DT dalla DTE2. I risultati sono stati validati attraverso un confronto con le rese neutroniche fornite dai monitor neutronici del Joint European Torus, rivelando un eccellente coefficiente di correlazione lineare di 0,983 tra le due quantità. Questo lavoro ha dimostrato la fattibilità di utilizzare l'emissione di raggi gamma DT come indicatore secondario per misurare la potenza di fusione in plasmi DT confinati magneticamente. Infine, studi sull'applicazione del metodo per la determinazione della potenza di fusione nel tokamak ITER in scenari di plasma DT ad alta potenza hanno dimostrato che le misurazioni soddisferebbero i requisiti di misura della potenza di fusione per la sicurezza del reattore.