Edge plasma characterization on the RFX-mod device

La fusione termonucleare controllata rappresenta una delle più promettenti future fonti di energia grazie alla sua caratteristica di risorsa pulita, rinnovabile e dunque potenzialmente inesauribile. Il tentativo di riprodurre sulla Terra il processo che da miliardi di anni alimenta tutte le stelle attive dell'universo, è reso, però, difficoltoso dall'incapacità attuale di realizzare in laboratorio un confinamento ottimale del plasma in condizioni di alta temperatura e densità. Queste condizioni sono necessarie per vincere la repulsione Coulombiana e portare i nuclei reagenti al range di distanza della loro interazione forte. Uno dei campi di ricerca più attivi nell'ambito della fusione nucleare è quello che studia l'ottimizzazione del confinamento del plasma sfruttando l'effetto dell'applicazione di campi magnetici. Il lavoro presentato in questa tesi è in larga parte dedicato all'analisi di una particolare configurazione magnetica: il Reversed Field Pinch (RFP), la cosiddetta macchina a campo rovesciato. Questa configurazione a geometria toroidale prende il suo nome dalla peculiare forma dei campi magnetici applicati per confinare il plasma; in particolare dalla componente toroidale (parallela all'asse della camera) che nella regione più esterna inverte il suo segno. Come spiegato nei primi capitoli, questa caratteristica ha diverse conseguenze sulla dinamica del plasma confinato all'interno della macchina. Storicamente, l'RFP si caratterizzava da una parte per la capacità di raggiungere alti regimi di corrente di plasma con un campo magnetico applicato meno intenso rispetto ad altre configurazioni come il Tokamak; dall'altra per un basso livello di confinamento magnetico del plasma, deteriorato dalla presenza di un ampio spettro di instabilità MHD (che portano a un cosiddetto stato di Multipla Elicità). I recenti risultati ottenuti dall'esperimento RFX-mod RFP (su cui è stato condotto il lavoro presentato nella tesi) a correnti di plasma oltre 1.5 MA, hanno però dimostrato la possibilità di raggiungere significativi miglioramenti in termini di confinamento del plasma. In particolare, la spontanea transizione del plasma verso una maggiore auto-organizzazione (nei cosiddetti stati a Quasi Singola Elicità QSH/SHAx) ha suscitato molto interesse nella comunità fusionistica. Attualmente, purtroppo, questi stati di miglior confinamento del plasma (in cui il plasma può raggiungere temperature dell'ordine dei dieci milioni di gradi) appaiono quasi esclusivamente a bassa densità. A densità più alte il plasma di RFX-mod tende a manifestare le tradizionali caratterisitiche di scarso confinamento degli stati a multipla elicità (MH). Questa fenomenologia, non ancora del tutto compresa, è stata attribuita a processi che avvengono nelle regioni esterne del plasma, quelle particolarmente coinvolte nell'interazione con la prima parete della camera che lo contiene. L'attività di ricerca della tesi è stato finalizzato a caratterizzare questa cruciale regione esterna del plasma di RFX-mod attraverso due particolari sistemi diagnostici: un riflettometro a microonde e una sonda elettrica inseribile chiamata Gundestrup. Il riflettometro a microonde è uno strumento che, sfruttando la riflessione di un'onda elettromagnetica di un dato strato di plasma, è in grado di stabilirne la distanza dall'antenna che lancia l'onda. A seconda della frequenza lanciata è possibile sondare strati di plasma con densità differenti. L'alto livello di fluttuazioni presenti sulle configurazioni RFP, fino ad ora, aveva sempre impedito di ottenere misure riflettometriche attendibili in questo tipo di macchina. La prima banda Ka di un nuovo schema diagnostico (sviluppato nel laboratorio RFX), dopo una fase di calibrazione, ha operato su RFX-mod in maniera continua dalla seconda metà del 2009. La validazione sperimentale attraverso il confronto con diversi e consolidati sistemi diagnostici ha dimostrato l'affidabilità del riflettometro a microonde anche sulla configurazione RFP. Inoltre, l'analisi della grande quantità di dati raccolti ha permesso di caratterizzare la dinamica di densità della regione di bordo. In particolare, l'alta risoluzione temporale dello strumento ha permesso di mettere in rilievo la stretta connessione tra le fluttuazioni a bassa frequenza del plasma e la presenza delle isole magnetiche prodotte dalla risonanza delle differenti instabilità MHD al bordo. Infine lo studio dell'andamento medio del plasma esterno su un grande database di scariche ha reso possibile una migliore comprensione dell'effetto della variazione dei parametri globali della scarica sull'interazione plasma-parete. La sonda Gundestrup è invece una particolare sonda elettrica inseribile nel plasma a differenti posizioni radiali. La sua speciale configurazione (composta da 10 elettrodi) le permette di valutare le differenti componenti locali del flow di plasma a partire dai dati di corrente di saturazione ionica (la corrente raccolta da un elettrodo carico esposto al plasma). Durante l'attività di ricerca è stato anche sviluppato un metodo innovativo per ricavare il flow parallelo e perpendicolare rispetto al campo magnetico al bordo a partire dai dati di potenziale flottante (il potenziale a cui si porta un elettrodo flottante inserito nel plasma). L'applicazione di questo metodo, validato sperimentalmente su RFX-mod e anche sul Tokamak ISTTOK (presso l'Associazione IST di Lisbona), ha permesso di ricostruire i profili radiali al bordo del flow di plasma. Anche in questo caso è stato possibile evidenziarne l'interazione con la presenza delle instabilità MHD. In particolare nei regimi a bassa corrente (in stati MH) l'effetto delle isole magnetiche create dalla risonanza dei modi m=0 produce un significativo aumento del flow parallelo al campo magnetico. Nelle scariche ad alta corrente (in stati QSH), invece, si sono osservate forti modulazioni nelle diverse componenti di flow in accordo con le deformazioni prodotte dal modo MHD dominante (m=1,n=7) e previste da precedenti simulazioni numeriche.