Thermal profiles and improved confinement accessibility in RFX-mod and TCV

L’ uomo non vive di solo pane. Fisicamente siamo creature minute con possibilitá ridotte, ma i nostri sogni non conoscono confini. Negli ultimi decenni l’umanitá è sbarcata sulla Luna (1969) e ha costruito aeroporti sul mare (1994), ma 925 milioni di persone sono soffrono ancora la fame (2010). Per inseguire il sogno di assicurare ad ogni essere umano una qualitá di vita decorosa, l’umanitá ha bisogno di energia. Le prospettive energetiche a lungo termine (50-80 anni) prevedono la necessitá di sorgenti di energia affidabili, sostenibili ed eco-compatibili. La fusione termonucleare è una delle possibilitá piú promettenti all’interno del paniere energetico, infatti offre la possibilitá di produrre energia in grandi quantitá a costi relativamente bassi e con un ridotto impatto ambientale. La fusione termonucleare potrebbe diventare una fonte energetica senza emissioni di anidride carbonica e con una minima produzione di scorie radioattive a lunga vita media. Inoltre, le materie prime utilizzate come combustibile nelle reazioni di fusione, deuterio e trizio, sono ampiamente disponibili sulla Terra. Ecco i validi motivi per gli sforzi dedicati allo studio della fusione termonucleare controllata. Ma, lo sviluppo della fusione nucleare come fonte di energia è una delle sfide piú complesse dal punto di vista tecnico-scientifico mai intraprese per scopi non militari. La fusione nucleare a confinamento magnetico del plasma é emersa negli ultimi anni come l’idea piú promettente per gestire l’energia prodotta da questa fonte di energia. Gli studi sviluppati in questa direzione, dagli anni Cinquanta, hanno dato risultati sempre piú incoraggianti, hanno portato ad importanti innovazioni sia nel campo della fisica che della tecnologia e hanno ispirato il progetto ITER. Questo reattore sperimentale potrebbe dare, nei prossimi decenni, le risposte definitive a molte domande sulla fattibilitá scientifica e tecnologica di un reattore a fusione. Uno dei principali interessi nel campo della ricerca sulla fusione a confinamento magnetico è la ricerca delle migliori prestazioni di plasma. Queste sono intimamente legate a due aspetti: confinamento del plasma e le condizioni alla parete. Entrambi, per inciso, sono collegati alla stabilitá del plasma. Il legame tra il confinamento e le condizioni alla parete è stretto e ben documentato. Ad esempio nel tokamak (la principale configurazione a confinamento magnetico) la ricerca di una ridotta interazione plasma-parete e di un riciclaggio controllato ha portato alla scoperta di una modalitá di funzionamento migliorata caratterizzata da alte prestazioni. Infatti, il modo H è stato scoperto ad ASDEX la prima macchina con divertore. Nei RFP (una configurazione alternativa) una transizione spontanea verso uno stato di plasma migliorat, lo stato QSH, legata ad un ridotto caos è stata ottenuta ottenuta con un accurato controllo delle condizioni magnetiche a bordo plasma. A sua volta, l’accesso alla QSH ha portato ad una topologia magnetica favorevole caratterizzata da una migliore condizione a bordo plasma. L’insorgere della QSH induce un ripple elicoidale al bordo che riduce l’interazione plasma-parete. La mia attivitá di ricerca, riportata in questo lavoro di tesi, si è concentrata sulle condizioni di accessibilitá e la caratterizzazione dei regimi di confinamento migliorato nei due sperimenti TCV (di tipo tokamak) ed RFX-mod (di tipo RFP). In RFX-mod la mia attivitá si è concentrata sullo studio e la caratterizzazione del profilo di temperatura elettronica. La temperatura è uno dei parametri fondamentali per qualificare le prestazioni dei plasmi da fusione e, in RFX-mod, è determinata principalmente da tre parametri: corrente di plasma, densitá elettronica e stato magnetico. Attraverso un’analisi statistica ad ampio spettro, le variazioni del profilo di temperatura sono state analizzate e poste in relazione con le principali grandezze macroscopiche ed i parametri operativi della macchina. L’andamento gnerale di temperatura centrale, temperatura esterna e gradiente di temperatura è stato rappresentato attraverso delle leggi di scala. Alcune ulteriori analisi sono state dedicate ad un fenomeno particolare: la comparsa di barriere di trasporto termico che determinano migliori prestazioni di plasma. La formazione di una barriera di trasporto interna (eITB) è innescata dalla crescita di un modo tearing dominante che, a sua volta, porta ad una riduzione del caos magnetico nel centro del plasma. Basandosi su lavori precedenti, le eITB sono state analizzate e la loro influenza sull’intero profilo di temperatura è stata valutata. Oltre ai consolidati fenomeni legati alle eITB, è stata osservata l’occasionale comparsa di gradienti molto elevati nella regione esterna della colonna di plasma. Alcune osservazioni di carattere generale e una prima speculazione sul meccanismo fisico che porta alla loro formazione saranno presentati. Il lavoro termina con un quadro ampio e generale che cerca di valutare la fisica che disciplina le variazioni del profilo di temperatura e propone alcune tecniche operative per il loro controllo. Negli odierni tokamak gli scenari ad alte prestazioni si basano sulla possibilitá di accedere ad uno stato ad alto confinamento (modo H). La transizione dallo stato di confinamento standard (modo L) al modo H si ottiene tipicamente quando la potenza esterna iniettata nel plasma supera una soglia. Questa soglia di potenza dipende fortemente dalla densitá del plasma, dal campo magnetico toroidale e dalle dimensioni del plasma, ma in molte macchine si è dimostrato come questa soglia dipenda anche dalla forma del plasma e dalla geometria della configurazione. La mia attivitá a TCV è stata dedicata allo studio di queste dipendenze, in particolare nell’analisi dell’influenza della posizione del punto a X. In due mesi di permanenza a Losanna nel 2011, ho partecipato ad una serie di esperimenti dedicati a tale argomento. Si sono documentate variazioni significative della soglia di potenza riducendo l’altezza del punto a X, in accordo con quanto giá osservato in altre macchine. Inoltre, la dipendenza non monotona di tale soglia dalla densità stata misurata e verificata. In questo lavoro di tesi si sono discussi le procedure di analisi seguite alla campagna spetimentale di TCV ed i conseguenti risultati.