Development of 2D/3D equilibrium codes for magnetically confined fusion experiments

Il presente elaborato è il risultato di un progetto di tre anni svolto presso il Consorzio RFX come dottorato di ricerca sui plasmi a confinamento magnetico. La ricerca sulla fusione termonucleare controllata, infatti, è attualmente perseguita da molte nazioni nel modo, grazie alla promessa di una fonte di energia abbondante e pressoché pulita. I prossimi passaggi della comunità internazionale sono la costruzione e l’operazione di un grande dispositivo, ITER, considerato come l’ultimo esperimento di fisica per la fusione per quel che riguarda la configurazione tokamak. Dopo ITER, infatti, è previsto il primo protoreattore commerciale, DEMO, che dovrebbe dimostrare la fattibilità della fusione come fonte energetica. La comunità stellarator sta costruendo una nuova macchina, Wendelstein 7-X, che fornirà ulteriori spunti per la fisica tridimensionale. Tra i vari dispositivi per la fusione, il Reversed-Field Pinch è stato dimostrato essere, se non un dispositivo praticabile per la produzione commerciale di energia, un ottimo strumento per lo studio della fisica del plasma. L’esperimento RFX-mod situato presso il Consorzio RFX a Padova, in Italia, è la macchina RFP più grande del mondo e rappresenta il dispositivo fusionistico più avanzato per quel che riguarda la stabilizzazione attiva di perturbazioni magnetoidrodinamiche attraverso controllo in retroazione. I ricercatori di RFX-mod, inoltre, hanno studiato dapprima teoricamente e poi sperimentalmente il concetto essenziale di auto-organizzazione negli RFP, che produce regimi di confinamento migliorato contraddistinti da trasporto migliorato ed un livello ridotto di caos magnetico. I moditearing sono noti per essere i protagonisti dei meccanismi di dinamo responsabili delle deformazioni elicoidali e dei regimi migliorati. In uno scenario così complesso, la ricostruzione dei modi tearing dentro al plasma attraverso misurazioni esterne è estremamente importante per ragioni sia modellistiche che sperimentali, dal momento che le strutture che influenzano le proprietà di trasporto nei plasmi sono in parte collegate proprio ai modi tearing. Il presente elaborato, in particolare, si occupa di sviluppo di codici bidimensionali e tridimensionali per la risoluzione di equilibri. Come primo problema è stato sviluppato un codice Fortran per la risoluzione numerica dell’equazione elicoidale di Grad-Shafranov, che è un’equazione di equilibrio bidimensionale derivata sotto l’assunzione di simmetria elicoidale. Tali assunzioni si scoprono essere particolarmente appropriate per lo studio del modotearing dominante in RFX-mod durante gli stati ciclici di quasi-singola-elicità in configurazione RFP, ma possono essere applicate anche alla configurazione tokamak. Come secondo problema sono stati analizzati e studiati i codici tridimensionali VMEC e V3FIT per la ricostruzione di equilibri. Il codice per la soluzione della Grad-Shafranov elicoidale è stato testato contro le predizioni tridimensionali di VMEC e V3FIT, svolgendo un fruttuoso confronto. Quindi, come ulteriore passaggio nell’applicazione del codice V3FIT ad RFX-mod in modalità fixed-boundary, è stata implementata una nuova diagnostica virtuale, che precedentemente è stata dimostrata essere in grado di risolvere l’inconsistenza nel valore al bordo per il fattore di sicurezza.