Física de plasmas

Transporte y efectos 3D

El transporte de partículas y calor es un tema fundamental para la consecución de un reactor de fusión eficiente.

Física de flujos zonales – El paradigma del control de la turbulencia debería incluir tanto el valor medio como la oscilación de los flujos con cizalladura. Los hallazgos en TJ-II muestran la importancia de las correlaciones de larga distancia (con estructuras del tipo flujo zonales) como la huella dactilar del comportamiento del plasma durante el desarrollo de flujos con cizalla en el borde, evidencia del transporte global modulado mediante flujos zonales y el papel clave de los campos eléctricos, topología magnética y viscosidad del plasma reducida para amplificarlas.

Transporte de impurezas – La acumulación de impurezas es un obstaculo potencialmente crítico para el desarrollo de la generación de energío por fusión. Recientemente se ha conseguido avanzar en el entendimiento del funcionamiento de ciertos actuadores empíricos, tales como el calentamiento por ECRH, con la finalidad de evitar la acumulación de impurezas en el núcleo. Sin embargo, los mecanismos mediante los cuales el ECRH modifica el transporte turbulento, las asimetrías de potencial en el plasma y el transporte neoclásico siguen siendo objeto de estudios intensos.

El transporte de momento, la rotación intrínseca y efectos 3D – En dispositivos de gran tamaño como el ITER, la capacidad de modificar la rotación por fuerzas externas será limitada. Por tanto, es importante cuantificar la contribución de mecanismos alternativos que generan rotación del plasma, por ejemplo debido a la turbulencia del plasma y partículas rápidas.

Efecto Isotópico – Entender la física del efecto isotópico tiene impacta directo en predecir las propiedades de confinamiento en reactores de fusión D-T. Los estudios comparativos entre tokamak TEXTOR y el stellarator TJ-II han mostrado evidencia experimental de la importancia de la física multi-escala (flujos zonales) para desenredar la física de este efecto.

Transporte neoclásico – Se requiere una validación precisa de la teoría neoclásica bajo condiciones relevantes para reactores. La teoría neoclásica estándar necesita ampliarse para mejorar el cálculo del transporte colisional en reactores tipo stellarator, incorporando efectos no locales y relajando la dependencia de superficies de flujo.

El confinamiento de partículas y energía – La clarificación de la física del desacoplo de canales de transporte (de partículas y calor) es uno de los principales dilemas que necesita resolverse para entender las técnicas de control de ELMs (por ejemplo, mediante perturbaciones magnéticas), las cuales son un ingrediente del escenario base para ITER y fundamental para el desarrollo de escenarios de operación sin ELMs (por ejemplo, el modo “I”).

Técnicas avanzadas para la interacción plasma-pared y la evacuación de potencia

Física de la evacuación de potencia – La evacuación de potencia es uno de los temas más críticas, complejas y desafiantes para el desarrollo de un reactor de fusión. Al día de hoy, los materiales sólidos son la solución estándar para los componentes que entran en contacto con el plasma, pero se sabe que están sujetos a erosión, fundición, la generación de polvo y daños permanentes debido al impacto de neutrones en condiciones de reactores. El LNF ha desarrollado un programa activo para mejorar el confinamiento de TJ-II mediante el recubrimiento de Li, y para explorar las capacidades de metales líquidos (Li y aleaciones) para manejar la potencia depositada y retener el combustible, sujetos a fuerzas capilares.

Computación avanzada y simulaciones

Estudios giro-cinéticos – En el LNF, se llevan a cabo cálculos de turbulencia en el marco de la teoría giro-cinética mediante el código Euterpe. Se han derivado aproximaciones de las ecuaciones giro-cinéticas hasta órdenes más elevados para obtener las contribuciones de longitudes de ondas más largas a los campos, necesarios para determinar el perfile de rotación.

Optimización de stellarators – Se ha implementado la búsqueda de un diseño optimado de stellarators basado en una estrategia de enjambre, incluyendo la minimización del transporte neoclásico y la mejora de la estabilidad.

Diagnósticos avanzados, adquisición de datos y herramientas de análisis

Las mejoras de los diagnósticos del plasma en el TJ-II y las herramientas avanzadas de adquisición y análisis han revelado una nueva física y han facilitado un mejor entendimiento de las propiedades de confinamiento de plasmas de fusión.

Hacia el reactor tipo stellarator. Soporte para W7-X

El concepto stellarator ofrece una ruta alternativa a una Central Eléctrica de Fusión, gracias a sus propiedades únicas: operación en modo continuo sin inducción de corriente externa y sin disrupciones del plasma. Estudios en TJ-II proporcionarán soporte para el stellarator W7-X, un elemento fundamental del programa Europeo de stellarators, en algunas áreas esenciales:

  • El entendimiento de métodos para mitigar la acumulación de impurezas en el centro
  • Pruebas críticas de modelos
  • Desarrollo de diagnósticos
  • La dinámica de flujos zonales
  • La caracterización de inestabilidades microscópicas
  • Mecanismos para controlar el modo de confinamiento

Vea Plasma Physics at the LNF (en inglés)