Thermal Characterization of Helical States in RFX-mod with Fast Soft X-Rays Diagnostics

In questa tesi descrivo il lavoro sviluppato nell'arco dei tre anni di attività di dottorato al dipartimento di Fisica dell'Università degli studi di Padova. Il seguente lavoro è stato eseguito presso il Consorzio RFX (sempre a Padova) dove ha sede l'esperimento RFX (esperimento a campo rovesciato), che è attualmente la più grande macchina per lo studio dei plasmi in configurazione toroidale di tipo Reversed Field Pinch (RFP). L'RFP è una delle tre principali configurazioni adottate per il confinamento del plasma in geometria toroidale, le altre due sono il tokamak e lo stellarator. Tra le tre, il tokamak è attualmente considerata la più promettente, tanto da essere impiegata nel più grande e costoso esperimento per plasmi toroidali: ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), in costruzione vicino a Marsiglia. Tuttavia anche lo stellarator sta avendo interessanti sviluppi con la costruzione di W7X a Greifswald. Il principale interesse di questi tre tipi di esperimenti è lo studio delle condizioni per ottenere la fusione nucleare controllata. La fusione nucleare è stata studiata a lungo con vari interessi, compreso quello di fonte energetica alternativa. Per arrivare a realizzare una produzione energetica efficiente basata sulla fusione, nel caso dei plasmi confinati magneticamente, è importante che questi siano sufficientemente densi, caldi e sostenuti per periodi lunghi. Un ruolo chiave è pertanto assegnato alla riduzione delle perdite di energia e quindi al loro studio. L'RFP risulta è soggetto a perdite energetiche relativamente elevate essendo il caos magnetico spesso fondamentale per il sostentamento della configurazione; tuttavia, durante le operazioni ad alta corrente, nuovi regimi con caos mitigato sono ottenibili (per semplicità chiamati elicoidali, maggiori dettagli sono riportati nel seguito della tesi). Grazie al sistema di controllo dei modi MHD del plasma in feedback mediante bobine magnetiche implementato in RFX, molti dettagli di questi regimi sono stati già ottenuti. Altri studi hanno permesso di individuare anche le loro caratteristiche termiche, tuttavia la loro dinamica rimane sconosciuta e costituisce l'argomento principale del mio lavoro. Per ottenere le informazioni sulla dinamica dei regimi elicoidali sono necessarie diagnostiche termiche veloci. Queste sono generalmente basate sul rilevamento di raggi x soffici (SXR) emessi dal plasma. La mia attività di ricerca si è concentrata sullo sviluppo di nuovi metodi di analisi per questi dati. In particolare, sono stato coinvolto nello sviluppo di un algoritmo per una nuova tecnica tomografica dedicata alla ricostruzione della emissività del plasma durante gli stati elicoidali. Questa tecnica deve tenere conto che il plasma in questi regimi ha una diversa topologia rispetto alle configurazioni classiche. Per fare ciò l'algoritmo tiene conto anche dei dati magnetici da cui viene dedotta la topologia del plasma. Un'altra parte dell'attività si è concentrata sull'analisi delle temperature stimate con le diagnostiche SXR a doppio filtro. Tali diagnostiche, grazie alla loro alta banda passante di campionamento, sono capaci di seguire l'evoluzione della temperatura durante le transizioni del plasma agli stati elicoidali. Questa tesi descrive i risultati ottenuti analizzando non solo i dati provenienti dalle diagnostiche SXR ma anche prendendo in considerazione le misure magnetiche. L'attività può essere riassunta in questa maniera: Tomografia SXR. Il mio lavoro ha riguardato lo sviluppo di un nuovo metodo per stimare l'emissività del plasma, specialmente durante i regimi elicoidali. Questo nuovo metodo si basa sull'ipotesi che la topologia dell'emissività sia sovrapponibile a quella magnetica. In sintesi l'algoritmo sviluppato usa i dati magnetici e quelli di emissività assieme. Diagnostiche doppio filtro. Lo scopo di questa attività è l'analisi delle temperature provenienti dalle diagnostiche a doppio filtro per individuare il comportamento termico all'interno del plasma. In particolare ho cercato le possibili correlazioni tra i modi magnetici e l'ampiezza delle barriere di trasporto termico. Sono state fatte due analisi distinte. La prima è un'analisi statistica su un ampio database di dati grezzi sui gradienti. La seconda si basa su un nuovo database e su una nuova stima del gradiente, questa volta tenendo conto delle condizioni magnetiche del plasma. Durante l'attività di dottorato sono stato coinvolto in un progetto di collaborazione tra il Consorzio RFX e la University of Wisconsin, Madison, dove è situato l'esperimento Madison Simmetric Torus (MST). La mia attività, in questa circostanza, è stata l'adattamento e lo sviluppo ulteriore degli algoritmi sviluppati per RFX. L'algoritmo dedicato alla ricostruzione della emissività del plasma è stato adattato alle diagnostiche di MST; l'adattamento ha consentito, inoltre, che il suo output sia stato evoluto dall'emissività alla temperatura. In aggiunta, è stato ideato un altro algoritmo, il cui scopo è quello di stimare la temperatura del plasma con un approccio più semplice. I capitoli sono organizzati come segue: • Il capitolo 1 introduce la fusione nucleare mediante confinamento magnetico di plasmi. Si descrivono i concetti fisici alla base della configurazione RFP dando, inoltre, una panoramica sulle sue caratteristiche nel trasporto energetico. Infine, si spiegano le motivazioni di questo lavoro di tesi. • Nel capitolo 2 viene descritto l’esperimento RFX di Padova. Quindi vengono illustrate le caratteristiche delle diagnostiche SXR impiegate nelle analisi successive. • Il capitolo 3 mostra come i dati ottenuti dalla diagnostica a doppio filtro sono stati usati per indagare la presenza e le dimensioni di barriere di trasporto energetico all’interno del plasma. Le indagini si sono concentrate sulle correlazioni tra la dimensione delle barriere e la configurazione magnetica e più precisamente sulla dipendenza del gradiente di temperatura dall’ampiezza delle perturbazioni magnetiche. • Nel capitolo 4 è sviluppato un algoritmo per determinare l’emissività del plasma considerando anche la topologia magnetica. Inoltre, la topologia magnetica viene sfruttata per migliorare la ricostruzione del profio di temperatura, dedotto dalle diagnostiche SXR a doppio filtro, viene studiato un metodo per stimarne il massimo gradiente. • Nel capitolo 5 vengono descritte le analisi di un database costruito con i gradienti di temperatura dedotti col metodo sviluppato nel precedente captiolo. Da questo database è dedotto il comportamento delle barriere di trasporto termico durante i regimi QSH. In questa analisi, rispetto a quella riportata nel capitolo capitolo 3, è stata usata una diagnostica più performante i cui dati, in aggiunta, sono stati elaborati con una tecnica più evoluta. • Il capitolo 6 illustra l’attività svolta a Madison. Questa riguarda l’adattamento degli algoritmi sviluppati per RFX, tenendo conto delle caratteristiche dell’esperimento e delle diagnostiche di MST. In particolare, MST manca di una diagnostica SXR a doppio filtro per lo studio della dinamica del plasma, pertanto l’algoritmo per la ricostruzione della emissività del plasma, sviluppato nel capitolo 4, è stato modificato per stimarne la temperatura. Oltre a questa conversione, unnuovo algoritmo è stato sviluppato il quale permette il calcolo della temperatura dai dati della tomografia SXR in una maniera più diretta. • Nel capitolo 7 vengono tirate le conclusioni del lavoro svolto.