Tesis doctoral de Tim Happel
Durante varias décadas se ha investigado el confinamiento magnético de plasmas de alta temperatura con el objetivo de construir un reactor de fusión. Uno de los obstáculos principales para conseguir ese fin son las pérdidas de energía y partículas causadas por los procesos de transporte radial en el plasma. Por lo tanto, la identificación y reducción de este transporte radial constituye un reto exigente para físicos tanto teóricos como experimentales. los procesos de transporte en plasmas toroidales se pueden agrupar en dos categorías: transporte neoclásico y transporte turbulento. La teoría neoclásica es una extensión de la clásica e incluye la geometría toroidal de los experimentos de fusión por confinamiento magnético. Esta da lugar a nuevas derivas de partículas y efectos espejo del campo magnético que atrapan partículas y dan lugar a frecuencias de colisión elevadas. El transporte neoclásico es un proceso ubicuo, ya que depende de la existencia de gradientes en el plasma y de colisiones coulombianas entre partículas. la segunda categoría de transporte, transporte turbulento, también llamado anómalo, es fundamentalmente distinto al neoclásico ya que las pérdidas descritas son causadas por microinestabilidades. Estas microinestabilidades ocurren esporádicamente en el plasma, y por lo tanto el transporte turbulento es más bien un proceso intermitente antes que un proceso contínuo. Las pérdidas de partículas y de energía observadas en plasmas toroidales de fusion se entienden como causadas principalmente por transporte turbulento, lo que hace que éste haya sido uno de los campos principales de investigación de la comunidad de fusión en las últimas décadas. básicamente, se puede describir la turbulencia en el plasma como un movimiento incoherente del plasma que proviene de fluctuaciones de pequeña escala en parámetros como densidad, temperatura y potencial del plasma, y también en el campo magnético. Las fuerzas generadoras de la turbulencia son los gradientes, lo que permite concluir que cuanto mejor sea el confinamiento (gradientes más acusados), más alto es el nivel de turbulencia. Sin embargo, esto no es completamente cierto: el descubrimiento del régimen de alto confinamiento (modo h) en 1982 demostró que el plasma puede autoorganizarse y entrar en un modo de confinamiento mejorado (transición l-h). Dicho modo se caracteriza por un aumento en los gradientes del plasma y una reducción significativa del nivel de fluctuaciones y del transporte turbulento. este descubrimiento motivó un gran esfuerzo, tanto teórico como experimental, para entender la transición l-h. Después de más de un cuarto de siglo de investigación activa, el modelo predominante para explicar la reducción del nivel de turbulencia en la transición consiste en la supresión de la turbulencia debido a la aparición de gradientes en el campo eléctrico radial y por lo tanto en la velocidad de rotación del plasma, denominados flujos con cizalla. Sin embargo, aunque se observan estos flujos en plasmas en modo h, sus mecanismos generadores siguen siendo una incógnita. Existen algunos modelos que involucran el gradiente de presión en el borde del plasma o los flujos con cizalla excitados por turbulencia, pero la elucidación todavía está pendiente. estas preguntas impulsan el desarollo contínuo de nuevas técnicas de diagnosis que sean capaces de medir las magnitudes involucradas. Una de estas técnicas es la reflectometría doppler, técnica novedosa, basada en el esparcimiento ó ‘scattering’ de ondas electromagnéticas debido a las fluctuaciones de densidad. La reflectometría doppler combina la selectividad de escalas de experimentos de scattering con la localización radial de la reflectometría. Durante los últimos diez años ha demostrado ser una técnica muy adecuada para medir la velocidad perpendicular de las fluctuaciones de densidad, el campo eléctrico radial, y el espectro en números de onda perpendicular en plasmas de fusión por confinamiento magnético. Una ventaja fundamental de la reflectometría doppler es la posibilidad de medir la región del gradiente de densidad en el borde del plasma, donde otros diagnósticos (sonda de langmuir, sonda de haz de iones pesados) tienen dificultades para obtener medidas. desde 2008, en tj-ii se han conseguido plasmas en modo h. Las características de la transición son comparables a las observadas en otros dispositivos de fusión: un aumento en el tiempo de confinamiento de la energía, una reducción de la radiación h alpha y del nivel de turbulencia de la densidad, y un aumento en el gradiente de la densidad en el borde del plasma. este trabajo está dedicado al diseño de un reflectómetro doppler optimizado para el stellarator tj-ii y su aplicación a estudios de turbulencia y campo eléctrico radial. Durante la fase de diseño del reflectómetro doppler se presta una consideración especial a la estructura tridimensional del campo magnético de tj-ii y a la curvatura de las superficies de flujo del plasma, lo que da lugar a la necesidad de la optimización del sistema en cuanto a alineamiento y al enfoque de las microondas. experimentalmente el reflectómetro doppler ha permitido la comparación de plasmas en modo l y h. Tanto los perfiles radiales de la velocidad perpendicular de fluctuaciones de densidad como los espectros en números de onda perpendicular de turbulencia de densidad se modifican en la transición a modo h. además, la dinámica de la transición l-h se ha investigado en escalas temporales rápidas poniendo especial atención en los flujos con cizalla oscilantes y su acoplamiento con la turbulencia de la densidad; magnitudes que se miden simultáneamente con reflectometría doppler.
Datos académicos de la tesis doctoral «Doppler reflectometry in the tj-ii stellarator: design of an optimized doppler reflectometer and its application to turbulence and radial electric field studies«
- Título de la tesis: Doppler reflectometry in the tj-ii stellarator: design of an optimized doppler reflectometer and its application to turbulence and radial electric field studies
- Autor: Tim Happel
- Universidad: Carlos III de Madrid
- Fecha de lectura de la tesis: 10/12/2010
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Teresa Estrada García
- Tribunal
- Presidente del tribunal: Luis Garcia gonzalo
- ernesto Anabitarte cano (vocal)
- Santiago Mar sardaña (vocal)
- Carlos Hidalgo vera (vocal)