3D physics, turbulence and transport in the plasma boundary of RFX-mod

Il crescente aumento nella richiesta di produzione energetica è diventato un costante leitmotif che caratterizza la società in cui viviamo. L'impossibilità di riuscire a soddisfare tali richieste sfruttando opzioni già esistenti che siano economicamente vantaggiose ed al contempo rispettino l’ambiente, è ormai una consapevolezza globalmente diffusa. La International Energy Agency ha esaustivamente documentato attraverso i suoi report annuali che le riserve di gas naturale e combustibile fossile si esauriranno nel giro di qualche decade a causa della sempre più crescente richiesta di energia. Come provvedere a soddisfare le esigenze energetiche di una popolazione mondiale in continuo aumento diventerà ben presto un problema critico. E' all'interno di questo quadro globale che entra in gioco la ricerca sulla fusione come risorsa energetica. Al fine di poter dimostrare la sfruttabilità della fusione nucleare quale risorsa energetica, la comunità scientifica internazionale ha da anni continuato ad investire nella ricerca sulla fusione termonucleare controllata. Ad oggi è nelle fasi finali di costruzione il più grande esperimento che coinvolga trasversalmente ricercatori da ogni parte del mondo. L'esperimento è denominato ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) e rappresenterà un banco di prova per la fisica della fusione e l’ingegneria. Tra le possibili configurazioni magnetiche adottabili sperimentalmente in una macchina da fusione, quella a campo magnetico rovesciato si è rivelata essere un eccellente strumento per studiare la fisica del plasma e le innumerevoli sfide scientifiche che essa pone. Tuttavia, per svariati motivi non è previsto l'utilizzo di tale configurazione in un reattore a fusione che produca energia a fini commerciali. L'esperimento RFX-mod ospitato presso il Consorzio RFX a Padova è il reversed-field pinch (RFP) più grande al mondo. L'attività di ricerca che verrà presentata in questo lavoro di tesi è stata svolta principalmente a Padova su RFX-mod ma ha anche previsto e contemplato la partecipazione ad una campagna sperimentale sul tokamak COMPASS a Praga. L’attività di ricerca che verrà presentata in questa tesi si concentra sulla caratterizzazione degli effetti 3D sui meccanismi di trasporto nella regione più esterna del plasma di RFX-mod. La macchina risulta essere estremamente versatile in quanto sono possibili operazioni in configurazione a campo rovesciato e in configurazione tokamak. Nello svolgimento della tesi verrà fornita una descrizione dettagliata delle proprietà di trasporto al bordo del plasma in entrambe le configurazioni magnetiche. L'approccio che verrà seguito può essere descritto in termini di un duplice percorso condiviso tra l'investigazione delle fluttuazioni elettrostatiche delle proprietà di trasporto effettuato attraverso l'utilizzo di sonde inseribili nel plasma e lo studio dei cambiamenti della topologia magnetica dovuti a meccanismi spontanei di tipo 3D. La tesi viene così organizzata: Parte I, Introduzione. Nella prima parte della tesi verranno introdotte tutte le nozioni di base utili allo svolgimento del lavoro. Nel capitolo 1 sarà discusso il concetto di plasma e fisica della fusione assieme ad una descrizione dettagliata delle due configurazioni magnetiche rilevanti ai fini delle analisi effettuate: la configurazione reversed-field pinch (RFP) e tokamak. Nel capitolo 2 la dinamica di un RFP verrà dettagliatamente descritta attraverso la teoria di Taylor. Inoltre verranno discussi gli stati a singola e multipla elicità (stati SH e MH), caratteristici della dinamica di un RFP. Successivamente verrà descritta la regione più esterna del plasma di RFX-mod, anche attraverso gli strumenti principali utilizzati nelle analisi effettuate. Il capitolo si concluderà quindi con l'introduzione di una analogia, che sarà dominante in tutto il corpo della tesi, tra la regione esterna di un plasma di tipo RFP e di uno di tipo tokamak durante esperimenti che prevedano l'applicazione di perturbazioni magnetiche. Parte II, Analisi di trasporto. Il capitolo 3 si apre con la presentazione delle due configurazioni sperimentali adottate per RFX-mod ai fini delle analisi di trasporto. Negli esperimenti è stata utilizzata la sonda inseribile U-probe, che verrà descritta successivamente assieme alla teoria su cui si basano le misure da essa raccolte. Verranno quindi discussi i risultati derivanti dall'investigazione delle fluttuazioni elettrostatiche nella regione di bordo del plasma. Verranno di seguito presentati gli studi sui meccanismi di trasporto in differenti regioni topologiche in presenza di una perturbazione magnetica esternamente applicata. Tali risultati verranno mostrati per esperimenti condotti su RFX-mod sia in configurazione reversed-field pinch che in configurazione tokamak. Parte III, Analisi topologiche. Lo studio dei cambiamenti della topologia magnetica si sviluppa attraverso l'analisi di eventi spontanei di riconnessione magnetica in configurazione a campo rovesciato. Nel capitolo 4 verranno inizialmente discussi alcuni modelli di riconnessione magnetica. Verranno quindi presentati i cosiddetti eventi di crash all'interno di RFX-mod e verrà dettagliatamente descritta la tecnica di analisi adottata. Nella seconda parte del capitolo verranno descritti gli esperimenti effettuati sul tokamak COMPASS e su RFX-mod sfruttando un'altra sonda inseribile che ha lo scopo di analizzare il profilo di temperatura ionica. Parte IV, Conclusioni. Nel capitolo 5 sono raccolti e discussi i risultati della tesi. Infine, viene fornita una sezione in cui i principali risultati sono trattati sinteticamente insieme ai problemi rimasti aperti in vista di future prospettive di ricerca. Parte V, Appendici. In Appendice A è possibile trovare una descrizione dettagliata del formalismo della Magnetoidrodinamica mentre in Appendice B vengono trattate in dettaglio le equazioni per il trasporto utili ai fini della tesi.