Three Dimensional Physics in Reversed Field Pinch and Stellarator

Questo lavoro di tesi è dedicato allo studio degli effetti tridimensionali sul trasporto indotti dalla presenza di isole magnetiche in configurazioni toroidali per il confinamento magnetico. Le isole magnetiche producono la rottura delle superfici magnetiche annidate dando al campo magnetico caratteristiche intrinsecamente tridimensionali. La metodologia pplicata si base sulla possibilità di definire un certo livello di simmetria in maniera tale da poter studiare il trasporto nell’approssimazione di 1.5 dimensioni. Lo studio è stato fatto sul Reversed Field Pinch (RFP) RFX-mod e sullo stellarator TJ-II. RFX-mod è il più grande RFP al mondo. La configurazione RFP è sostenuta dal meccanismo della dinamo, che è legato all’interazione non-lineare dei molti modi tearing risonanti. Lo studio del trasporto in RFX-mod è stato eseguito sui tre sotto-stati identificati nel regime a Quasi singola Elicità, il quale è caratterizzato da un singolo modo (modo dominante) che risulta dominante nello spettro dei modi, mentre gli altri modi (modi secondari) mantengono un’ampiezza ridotta. In questo regime, sono identificabile delle coordinate di flusso magnetico basate sulla combinazione dell’equilibrio assial-simmetrico sottostante con il contributo del modo dominante. In questa modo un approccio 1.5 dimensionale allo studio del trasporto è possibile considerando la media sulle superfici di flusso delle varie quantità fisiche. Lo studio del trasporto è riferito alla regione a forma di fagiolo dove è possibile identificare delle superfici di flusso quasi conservate dove si osserva la formazione di ripidi gradienti termici, interpretabili come barriere interne di trasporto elettronico (ITB). A partire dalle misure sperimentali, sono stati calcolati sia i gradienti termici che il coefficiente di diffusione termica e il loro andamento è stato discusso nell’ambito del trasporto stocastico. Alla fine è stato anche calcolato il tempo di confinamento dell’energia, utilizzando un metodo migliorato rispetto a quanto fatto in passato, dimostrando un significativo miglioramento delle prestazioni del plasma. Lo studio del trasporto nello stellarator TJ-II si è concentrato nel calcolo dell’aumento del campo elettrico non-ambipolare dovuto alla presenza di isole magnetiche. L’idea alla base dello studio si basa sul fatto che un’isola magnetica potrebbe modificare la viscosità toroidale del plasma, aumentando in questo modo il flusso non-ambipolare delle particelle. Lo studio è partito dall’analisi del modello neoclassico di viscosità toroidale sviluppato da K.C. Shaing per la configurazione tokamak, che idealmente possiede una simmetria toroidale. Applicando questa teoria, il flusso di particelle può essere descritto in funzione di una coordinata radiale monotona e quindi lo studio del trasporto può essere affrontato nell’approssimazione 1.5 dimensionale. E’ stato necessario considerare una parziale modifica della teoria originale la cui giustificazione viene presentata assieme allo studio dettagliato sia nella configurazione tokamak che nello stellarator TJ-II. I risultati mostrano che un campo elettrico radiale ‘aggiuntivo’ è effettivamente indotto da un’isola magnetica nei plasmi di TJ-II. Questo potrebbe giocare un ruolo positivo nelle proprietà di confinamento del plasma, influenzando la transizione L-H, che si ritiene sia fortemente legata allo shear del moto ExB.