Investigation of the magnetic topology of helical RFP plasmas

Questa tesi si inserisce nel contesto della ricerca sulla fusione termonucleare controllata come possibile fonte alternativa di energia. La fusione il processo che alimenta il sole e tutte le altre stelle attive, il progetto quello di riprodurre questo processo in macchine da laboratorio: il progetto, affascinante ma di non facile realizzazione, si scontra soprattutto con la difficolt di confinare alte temperature e densit di plasma, stato ionizzato della materia (il cosiddetto quarto stato della materia). La ricerca civile in questo campo quasi interamente dedicata allo studio del confinamento dei plasmi da fusione con campi magnetici. Le configurazioni di campo magnetico pi studiate sono quelle dette Tokamak, Stellarator e Reversed--Field--Pinch (RFP), che confinano i plasmi in macchine toroidali. Tokamak e Stellarator sono le configurazioni che storicamente hanno dato i migliori risultati in termini di confinamento di particelle ed energia: vanno ricordati rispettivamente i due progetti per la futura generazione delle macchine da fusione, ITER (progetto di collaborazione internazionale oggi in costruzione a Cadarache, Francia) e Wendelstein--7X (progetto in costruzione a Greifswald, Germania). Per quanto riguarda il RFP, il pi grande esperimento oggi attivo l'esperimento RFX (oggi RFX--mod), in funzione a Padova dal 1990, dove si svolto questo lavoro di tesi. Nei RFP il plasma riscaldato per effetto ohmico da un'alta corrente che fluisce nel plasma, ma la presenza di molte instabilit, considerate intrinseche alla configurazione, ha storicamente condotto a bassi tempi di confinamento e quindi a poca fiducia nel RFP come possibile configurazione per un reattore. La ricerca su questo tipo di macchine oggi rivalutata da nuovi risultati, che dimostrano come all'aumentare della corrente il plasma spontaneamente si porti in uno stato meno caotico con propriet di confinamento migliorate. Questi stati sono chiamati SHAx (Single Helical Axis) perch caratterizzati da superfici magnetiche elicoidali. Obiettivo di questa tesi lo studio e la caratterizzazione della topologia magnetica degli equilibri SHAx (in RFX--mod ottenuti per correnti di plasma superiori a 1.5 MA), sia nella regione centrale del plasma (plasma core) che nella zona di bordo dove dominano gli effetti dell'interazione plasma--parete (plasma edge). Il primo passo per caratterizzare i nuovi equilibri elicoidali stato la ricerca di buone coordinate elicoidali. Si fatto uso per questo di coordinate curvilinee (per descrivere la geometria toroidale del sistema) e della meccanica hamiltoniana applicata ai campi magnetici in un toro (il che permette di usare le coordinate azione--angolo del sistema). Il risultato di questo studio un codice (SHEq, Single Helical Equilibria) che usa le metriche elicoidali per la ricostruzione delle quantit\`a di plasma (componenti del campo o dei flussi magnetici e della densit di corrente) durante gli stati SHAx, ed quindi per esempio utile per interpretare i dati sperimentali delle varie diagnostiche. Parte di questa tesi si svolta in collaborazione con il gruppo di Teoria di TJ--II (Ciemat, Madrid) per l'evoluzione temporale degli equilibri elicoidali di SHEq in accordo con la legge di Ohm (che non iniziale vincolo). La parte pi sperimentale di questa tesi riguarda lo studio della zona di bordo dove un'interazione regolare del plasma con la parete riflette la deformazione elicoidale della colonna di plasma. Una parte del tempo nella campagna sperimentale 2011 di RFX--mod stata dedicata allo studio di particolari condizioni al contorno per favorire e controllare la regolarit dell'interazione plasma--parete.