Disrupciones internas y modos ballooning en el Stellarator LHD

  1. Varela Rodríguez, Jacoco
Dirigida por:
  1. Luis García Gonzalo Director

Universidad de defensa: Universidad Carlos III de Madrid

Fecha de defensa: 29 de abril de 2011

Tribunal:
  1. Luis Raul Sánchez Fernández Presidente/a
  2. José Ramón Martín Solis Secretario/a
  3. Boudewijn Philip van Milligen Vocal
  4. José Ángel Mier Maza Vocal
  5. Juan Antonio Jiménez Aparicio Vocal
  6. Ernesto Anabitarte Cano Vocal
  7. Juan Carlos Hidalgo Vera Vocal

Tipo: Tesis

Resumen

En este trabajo se afronta el estudio de la estabilidad de un plasma confinado magnéticamente, con el fin de aportar nuevos conocimientos para el desarrollo futuro de un reactor de fusión termonuclear con fines comerciales. Es conocido desde principios de los años 50 que un plasma al ser confinado en el interior de un dispositivo de fusión termonuclear por con namiento magnético sufre inestabilidades, cuyo estudio es vital para mejorar la eficiencia del dispositivo. Esta investigación se ha desarrollado para un dispositivo tipo Heliotrón, miembro de la familia de los Stellarator, denominado Large Helical Device o LHD. Desde el marco de la magnetohidrodinámica (MHD) se han estudiado dos tipos de actividad que provocan una pérdida de eficiencia del dispositivo: Debido a modos ballooning; con el fin de aportar información sobre el fenómeno de los colapsos de densidad. Debido a modos globales; con el fin de explicar las propiedades de las disrupciones internas y oscilaciones tipo dientes de sierra o sawtooth. En la primera parte del trabajo se elabora un estudio de los modos ballooning, calculando sus tasas de crecimiento en configuraciones con diferentes valores de y curvatura de la línea de campo magnético. Este no es un campo nuevo de estudio, puesto que la actividad de este tipo de inestabilidades impone restrictivos límites de operación a tener muy en cuenta en el diseño de cualquier dispositivo de fusión. Recientes estudios en los que se basa el presente trabajo han mostrado que para cierto tipo de operaciones la actividad ballooning limita la capacidad de operación del LHD significativamente. La originalidad en el presente an alisis estriba en extender dichos estudios a nuevas configuraciones cuyas propiedades están siendo exploradas tanto experimental como teóricamente en la actualidad. En publicaciones previas se analizó el problema pero sólo en configuraciones donde el eje magnético en el vacío del dispositivo se encontraba en su posición estándar o derivado hacia el interior del toro, llamada configuración inward shifted; ahora se va extender el estudio a configuraciones donde el eje está desplazado hacia el exterior de la cámara de vacío, configuracióon outward shifted, donde algunas propiedades del equilibrio cambian, como la transformada rotacional. Por tanto es fundamental elaborar un estudio sistemático del comportamiento de los modos ballooning en estas circunstancias. Como resultado principal se ha obtenido que los modos ballooning son muy inestables en la parte externa del toro cerca de la periferia del plasma para configuraciones outward, inducidos por la mala curvatura magnética existente en esa región y por la incapacidad del factor estabilizante por pandeo de la línea de campo para evitar su excitación, debido a que variables locales como la cizalla magnética local o la compresión local de la superficie de flujo son casi nulas. Este hecho permite concluir que, en con guraciones outward, la principal restricción operativa del dispositivo vendrá impuesta por la actividad ballooning, que en este trabajo se señala como el agente inductor principal para explicar los llamados colapsos de densidad en operaciones con núcleos de ata densidad y barrera de difusión interna, al ser coincidentes ambas regiones de actividad. El estudio de la estabilidad del dispositivo LHD en configuraciones outward se complementa con la segunda parte de este trabajo, que se dedica a estudiar el comportamiento de los modos globales inducidos por gradientes de presión en una configuración inward. Mediante un código de evolución temporal FAR-3D se han simulado eventos tipo sawtooth y disruptivos. Este tipo de fenómenos han sido observados en otros dispositivos de la familia de los Stellarator, tanto en condiciones de corriente toroidal neta nula y no nula, como son el Heliotron E y el Compact Helical System (CHS), donde el origen de la perturbación es la desestabilización de modos de intercambio. Es necesario comentar que el fenómeno físico asociado a la actividad tipo sawtooth en Stellarators difiere de los observados en dispositivos Tokamak. En un Tokamak un suceso sawtooth tiene lugar cuando el valor del factor de seguridad q=m/n cae para valores menores que la unidad en el eje magnético, excitándose modos kink (relacionados con el retorcimiento helicoidal de las líneas de campo magnético que modifican el módulo del propio campo e inducen corrientes adicionales en el plasma), apareciendo regiones estoc asticas (se forman cuando las islas magnéticas se superponen y causan la ruptura de las superficies magnéticas) y un reajuste completo del equilibrio tras la reconexión magnética (las islas magnéticas reducen su tamaño y las superficies magnéticas se recuperan). En un Stellarator un suceso tipo sawtooth no causa una reestruturación del equilibrio tan intensa y son inducidos por el efecto desestabilizador de los gradientes de presión, no por corrientes, posiblemente modos tipo intercambio. Trabajos experimentales precedentes han localizado actividad tipo sawtooth en el LHD y en la actualidad se están desarrollando estudios teóricos que pretenden mejorar la comprensión de este fenómeno, con el fin de optimizar el funcionamiento del dispositivo. Respecto a las disrupciones internas no existe evidencia experimental de su existencia en el LHD, pero sí en otros Stellarators como los dispositivos Heliotrón E o CHS. La excitación de este suceso sólo tendrá lugar en regiones de operación inward muy desfavorables desde el punto de vista de la estabilidad MHD del sistema, por lo que este trabajo se limitará a ponderar cuál será su efecto sobre el confinamiento del plasma y bajo qué condiciones tienen lugar. En una disrupción interna, a diferencia de un suceso tipo sawtooth, se aprecian caídas significativas en los perfiles de densidad y temperatura. Respecto a la emisividad de rayos X blandos, la caída del perfil es más acentuada que en un suceso tipo sawtooth. Entre los resultados de la simulación cabe resaltar que se ha establecido una relación directa entre la beta del sistema y la capacidad del sistema para desarrollar actividad disruptiva y tipo sawtooth. En concreto, para 0 > 1% el sistema comienza a desarrollar patrones tipo sawtooth, cuya intensidad y recurrencia aumenta con el valor de beta. También se observan patrones disruptivos para 0 > 1 %, que son causados por una fuerte perturbación sobre la superficies racional 1=2, mientras que para 0 = 1:48% es el efecto resonante de la superficie racional 1=3 la actividad dominante en el núcleo del plasma. En el análisis de los casos tipo sawtooth se ha comprobado cómo el efecto no resonante del modo 1=3 sobre el núcleo del plasma es el origen de la inestabilidad. Este estudio concluye también que es necesario evitar un modo de operación del LHD donde exista actividad disruptiva asociada a la superficie racional 1=2, dada la importante pérdida de eficiencia que supone. La memoria está distribuida según se indica a continuación: en el capítulo I se presentará la controversia actual sobre la necesidad de nuevas fuentes de energía y el vital papel que ha de jugar la fusión termonuclear en años futuros, además de una breve introducción a la fenomenología de la fusión nuclear y definiciones sobre el concepto de plasma. Finalmente unos breves comentarios sobre los diversos tipos de dispositivos de fusión más prometedores, resaltando el LHD para el que se han desarrollado todos los cálculos de este trabajo. En el capítulo II, se resumen las herramientas computacionales y fundamentos físicos utilizados, comentando algunos principios sobre Magnetohidrodinámica, equilibrio y estabilidad en un plasma. En el capítulo III, se procede a explicar el comportamiento de los modos ballooning de alta n. Primero se ha elaborado una introducción teórica sobre el comportamiento de los modos ballooning en dispositivos tipo Stellarator, para continuar con una exposición resumida de un tipo de régimen de operación llamado régimen de núcleo super denso o (SDC) con barrera de difusión interna (IDB), donde se aplicarán algunas de las conclusiones de este trabajo. A continuación se presentan los resultados obtenidos finalizando con un resumen de aportaciones y conclusiones. En el capítulo IV se describe una simulación de casos disruptivos y tipo sawtooth, fundamentando primero este análisis en observaciones experimentales, aportando además las bases teóricas y objetivos del estudio. Seguidamente se presentarán los resultados de la simulación, mostrando un resumen orientado a los parámetros que mejor reflejen la fenomenología de la actividad disruptiva y tipo sawtooth, finalizando con una síntesis de aportaciones y conclusiones.