Generación y dinámica de electrones runaway en plasmas tokamak

  1. Fernández Gómez, Isabel
Dirigida por:
  1. Luis Raul Sánchez Fernández Director/a
  2. José Ramón Martín Solis Director/a

Universidad de defensa: Universidad Carlos III de Madrid

Fecha de defensa: 23 de septiembre de 2013

Tribunal:
  1. Luis García Gonzalo Presidente
  2. José Ángel Mier Maza Secretario/a
  3. Juan Carlos Hidalgo Vera Vocal

Tipo: Tesis

Resumen

La dinámica y generación de electrones runaway en plasmas tokamak constituye el tema central de esta tesis. En un tokamak, el fenómeno runaway es el resultado de la existencia de un campo eléctrico en dirección toroidal. Aquellos electrones cuya velocidad excede un cierto valor crítico se aceleran de forma continua, ya que la e ciencia de las colisiones para disipar la energía ganada en el campo disminuye con la velocidad (? ??¹) . Se tiene entonces lo que se conoce como un electrón runaway. Los electrones runaway son continuamente acelerados por el campo eléctrico y, si su número es su cientemente grande, pueden suponer un serio peligro potencial para el dispositivo en caso de que interaccionen con las estructuras del sistema. La situación es especialmente crítica en el caso de una disrupción. Las disrupciones constituyen uno de los problemas de mayor envergadura al que deberá enfrentarse tanto la operación del proyecto de fusión ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) como la futura planta de fusión nuclear basada en el esquema tokamak. Una disrupción es esencialmente un fenómeno inestable y violento en el que la corriente y la energía del plasma se pierden de forma repentina en unas decenas de milisegundos. Las enormes cargas de calor y las fuerzas de carácter magnético que actúan sobre las estructuras del sistema durante una disrupción suponen un serio peligro para la supervivencia del mismo. Por otro lado, durante una disrupción, se generan campos eléctricos muy intensos que dan lugar a la generación de un número elevado de electrones runaway con energías de hasta cientos de MeV. La interacción de estos electrones energéticos con los materiales de la primera pared constituye un serio peligro para la integridad del sistema. Por ello, prevenir, controlar o, al menos, mitigar los daños asociados a una disrupción y, en particular, a la generación de electrones runaway constituye en la actualidad un objetivo prioritario de la investigación en fusión y del diseño de un dispositivo como ITER. Con el n de diseñar sistemas e caces que permitan controlar el daño asociado a los electrones runaway, resulta esencial comprender los mecanismos que determinan su generación y la energía que pueden alcanzar. Estos dos problemas, la generación y formación de la población runaway, y la máxima energía que los electrones runaway generados pueden alcanzar, constituyen los dos problemas centrales de esta tesis. La memoria se ha dividido en cuatro partes. En la primera parte, dividida en dos capítulos, se introducen los conceptos básicos relativos al tema de investigación. En el primer capítulo, se realiza una introducción breve a la fusión termonuclear controlada y, en particular, al esquema tokamak, al que se refiere esta tesis. El fenómeno runaway en plasmas tokamak constituye el tema del segundo capítulo, en el que se introducen los aspectos básicos relativos a la física runaway (generación y energía runaway) y el problema de los electrones runaway durante disrupciones. En la segunda parte, que consta de tres capítulos, se presentan los resultados obtenidos en relación al problema de la generación y formación de la población runaway. El análisis de la dinámica runaway requiere un tratamiento apropiado de las colisiones culombianas de los electrones runaway con los electrones e iones térmicos. En esta tesis, este análisis se basa en el método de Langevin (desarrollado en el Capítulo 3) que incorpora el carácter aleatorio de las colisiones culombianas en una descripción de partícula de los electrones runaway. Este método se usa en el Capítulo 4 para determinar la probabilidad runaway en el espacio de velocidades (es decir, la probabilidad de que un electron se convierta en runaway en función de su velocidad inicial) y para de nir criterios simples para la generación de electrones runaway. En el Capítulo 5, la aproximación de Langevin se emplea para calcular y caracterizar la función de distribución runaway en estado estacionario y para realizar estimaciones de la producción Dreicer de electrones runaway (número de electrones runaway generados por unidad de tiempo por difusión en el espacio de velocidades). Uno de los resultados más interesantes de estos capítulos se re ere al efecto sobre los electrones runaway de la dinámica perpendicular al campo magnético. Aunque el fenómeno runaway depende esencialmente de la aceleración de los electrones por el campo eléctrico en dirección paralela al campo, la dispersión colisional de los electrones runaway en dirección perpendicular tiene un efecto determinante sobre la forma de la función de distribución y, con ello, sobre la producción y la población nal de electrones runaway. Esencialmente, la dispersión colisional produce un ensanchamiento de la función de distribución runaway en dirección perpendicular lo que lleva a un incremento en el número de electrones en la región runaway y, con ello, de la producción runaway. La tercera parte está dividida en dos capítulos y aborda el problema de la energía que pueden alcanzar los electrones runaway. Para realizar este estudio, dadas las altas energías que pueden alcanzar, ha sido necesario utilizar una aproximaci ón relativista. Por otro lado, los efectos de difusión colisional asociados las colisiones son pequeños a estas energías, por lo que se ha empleado un modelo simpli cado de partícula test en el que se calculan las trayectorias promedio de los electrones runaway en el espacio de momentos. El modelo incluye el efecto sobre la energía del electrón de la aceleración debida al campo eléctrico, las colisiones con las partículas del plasma, así como las pérdidas de energía asociadas a la radiación sincrotrón. El Capítulo 6 revisa las características básicas de este modelo, empleado en trabajos anteriores, y algunos de sus resultados más relevantes. En el Capítulo 7, en el que se presenta la contribución original de esta tesis en este campo, se analiza el efecto de incluir las pérdidas de energía asociadas a la radiación de bremsstrahlung emitida por el electrón runaway al ser desviado de su trayectoria como consecuencia de las colisiones con los electrones e iones del plasma. En condiciones normales en un plasma tokamak, la radiación de bremsstrahlung debida a los electrones runaway es despreciable en comparación con la radiación sincrotrón. Sin embargo, en los experimentos de control de disrupciones mediante inyección de impurezas de alta Z (MGI: Massive Gas injection), uno de los métodos principales propuestos para la mitigación de disrupciones en ITER, las condiciones de alta densidad y carga iónica características de los mismos pueden llevar a considerables pérdidas de energía por radiación de bremsstrahlung. En este capítulo se demostrará que, efectivamente, en estas condiciones, la radiación de bremsstrahlung puede contribuir de forma signi cativa a las pérdidas de energía de los electrones runaway, reduciendo el valor máximo de la energía que pueden alcanzar. Más aún, el análisis realizado en este capítulo permitirá establecer de forma general las condiciones (densidad, Z y campo eléctrico) bajo las cuales la radiación de bremsstrahlung constituye el mecanismo dominante de pérdidas de energía de los electrones runaway. Finalmente, en la última parte de la memoria se presentan las conclusiones del trabajo descrito en los capítulos anteriores. En la medida de lo posible, a lo largo de esta memoria, se ha intentado usar siempre términos castellanos. En los casos en que esto no ha sido posible se ha empleado el término original correspondiente. En este sentido, el uso a lo largo de esta tesis del término aglosajón runaway(estándar en la literatura) ha sido preferible a la expresión española correspondiente fugitivos, así como el término alemán bremsstrahlung en lugar de frenado. En general se han usado unidades del Sistema Internacional. La temperatura T, sin embargo, siempre que no aparece acompañada de la constante de Boltzmann (? ó ??), se expresa en unidades de energía, en general, en eV: 1 eV = 1,16?10?K.