Theoretical analysis of tokamak disruptions by simplified analytical models and numerical simulations

Uno dei principali ostacoli sulla via della realizzazione di un reattore a fusione commerciale che si basi sulla configurazione Tokamak è rappresentato dalle disruzioni, cioè dalle terminazioni veloci della scarica di plasma, che se non adeguatamente mitigate possono causare danni gravi al reattore. Per futuri grandi impianti come ITER o DEMO, i forti carichi elettromagnetici sul contenitore da vuoto (vessel) durante le disruzioni possono minacciarne l’integrità strutturale. Alcune stime per ITER prevedono forze di decine di MN, ma la mancanza di una teoria veramente predittiva e completa, che includa tutti gli effetti rilevanti, solleva anche preoccupazioni sull’accuratezza di queste previsioni. Le forze più elevate sono osservate sperimentalmente quando il plasma viene in contatto con la prima parete. L’ampiezza dipende dalle cosiddette correnti di halo, che rappresentano la parte di corrente di plasma che può fluire verso le strutture conduttive ed eventualmente richiudersi nuovamente sul plasma stesso. Incertezze sull’ampiezza e la distribuzione delle correnti di halo e sulla dinamica del processo rappresentano una sfida aperta ai modelli teorici. La prima parte del lavoro di tesi presenta il calcolo delle forze elettromagnetiche sul vessel esercitate da una perturbazione in approssimazione cilindrica e l’analisi e la relazione tra vari tipi di correnti: le correnti indotte (eddy), le correnti di superficie (surface) e le correnti di halo propriamente dette. La seconda parte della tesi è dedicate alle instabilità più pericolose che possono portare a disruzioni: I modi di parete detti Resistive Wall Modes (RWM) e i modi tearing o riconnettivi. In presenza di una parete resistiva entrambi possono essere soppressi o almeno mitigati dalla rotazione di plasma. Questo effetto viene studiato analiticamente per configurazioni con shear magnetico positive e negative. Si analizza l’effetto della rotazione nel caso specifico di uno scenario tokamak avanzato con profilo di corrente cavo. Rispetto al problema del frenamento di un’isola magnetica vengono considerati gli effetti di pareti resistive multiple (fino a 3) aventi diverse conducibilità elettriche. In particolare viene derivata una formula analitica semplice per il momento elettromagnetico esercitato dalla parete di ITER, comprendente vessel e blanket.