High frequency magnetic activities in a reversed-field pinch plasma

Questa tesi descrive il lavoro di ricerca che ho svolto durante i tre anni di corso di Dottorato in Fisica presso il Dipartimento di Fisica ''Galileo Galilei'' dell'Università di Padova. La mia attività di ricerca si è sviluppata principalmente presso il Consorzio RFX, che si trova all'interno dell'area del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) di Padova, dove opera l'esperimento RFX-mod, il più grande esperimento di fusione attualmente operante in configurazione Reversed-Field Pinch (RFP). L'RFP, insieme al Tokamak e allo Stellarator, è uno delle principali configurazioni usate per confinare in strutture toroidali un plasma per mezzo di una combinazione di campi magnetici. Essi si propongono di studiare la fusione termonucleare controllata come fonte di energia. L'attività di ricerca svolta presso l'esperimento RFX-mod è stata principalmente focalizzata sullo studio delle fluttuazioni magnetiche ad alta frequenza che si sviluppano nel plasma. Un plasma, infatti, costituisce un sistema fortemente non-lineare, caratterizzato da instabilità elettromagnetiche, onde e fluttuazioni della turbolenza che possono causare la perdita di energia e particelle. Per questa ragione l'indagine dei meccanismi alla base di questi processi costituisce uno dei temi chiave nella ricerca sulla fusione. Capire l'origine delle instabilità si pensa possa contribuire a migliorare il confinamento di energia e particelle nei dispositivi sperimentali cercando di domare le cause scatenanti o di attenuare le perdite associate. Inoltre, progressi in questo campo possono dare anche un importante contributo alla comprensione dell'origine e delle caratteristiche di instabilità in altri plasmi magnetizzati, inclusi quelli astrofisici. Per aiutare il lettore a comprendere meglio il contesto in cui si sviluppa questa tesi, i primi tre capitoli fanno una breve panoramica di informazioni di base per quanto riguarda le caratteristiche del plasma, la configurazione RFP e il setting sperimentale presso cui si è sviluppata la mia attività di ricerca. In particolare, nel Capitolo 1 vengono introdotti il concetto di plasma e la sua dinamica e la fusione termonucleare, una promettente opportunità per la produzione di energia. Col fine di raggiungere un bilancio energetico positivo in un futuro reattore a fusione, il plasma è confinato da campi magnetici di geometria toroidale e le instabilità che possono svilupparsi e, in alcuni casi, causare la perdita di particelle, devono essere conosciute e controllate: in questo capitolo si introducono le equazioni della magnetoidrodinamica (MHD) e alcuni tipi di instabilità magnetiche a cui si farà riferimento nei capitoli successivi. Nel Capitolo 2 sono proposte una breve introduzione sulla configurazione Reversed-Field Pinch e sull'esperimento RFX-mod e il suo plasma. Vengono messe in luce le caratteristiche della configurazione, come il rovesciamento del campo toroidale nella regione di bordo del plasma e la transizione ad un regime meglio confinato, con un plasma di forma elicoidale. Una sezione di questo capitolo è dedicata alla presentazione della macchina RFP Extrap T2R, che si trova a Stoccolma, presso cui ho partecipato ad un interessante campagna sperimentale. Il Capitolo 3 presenta i sistemi di sonde (la U-probe, ISIS, la sonda Alfvén) utilizzati nei plasmi di RFX-mod e Extrap T2R per investigare le fluttuazioni elettrostatiche e magnetiche descritte nella tesi. Più in dettaglio, le principali osservazioni sperimentali in RFX-mod sono state ottenute per mezzo di due sistemi di sensori magnetici collocati internamente alla camera da vuoto, altamente risolti in spazio e tempo. - il primo è una sonda di bordo inseribile, chiamata U-probe, che misura le fluttuazioni delle tre componenti di campo magnetico ed è in grado di investigare alti ordini di armoniche toroidali e frequenze fino ai 5 MHz; - il secondo consiste in alcuni sensori della diagnostica ISIS (Integrated System of Internal Sensors), un complesso sistema di sonde allineate in modo da coprire interamente gli angoli toroidale e poloidale del toro. Sono riportate anche alcune informazioni sulle altre diagnostiche usate per dare un'interpretazione fisica alle osservazioni. Il Capitolo 3 è inoltre dedicato alle tecniche di analisi dati usate per la determinazione delle periodicità temporali e spaziali associate ai fenomeni osservati, che sono essenziali per la loro caratterizzazione. Diverse attività magnetiche coerenti sono state osservate, analizzate e a volte riconusciute. I risultati più interessanti ottenuti durante il dottorato sono presentati nella tesi, oraganizzati in modo che ognuno dei tre capitoli seguenti descriva fluttuazioni di diversa natura, misurate nel plasma di RFX-mod. In particolare, nel Capitolo 4 è descritta una forte attività osservata sorgere a bordo plasma ad una frequenza dell'ordine dei 100 kHz. Sono state effettuate varie analisi con lo scopo di rintracciare relazioni di dipendenza tra le caratteristiche dell'attività ed i parametri di plasma: i modi risuonano a bordo plasma, esternamente rispetto alla superficie di rovesciamento del campo magnetico toroidale, e la frequenza associata al modo è stata trovata essere dovuta principalmente all'effetto Doppler, in quanto essi ruotano con il plasma. Un importante contributo all'interpretazione fisica dei modi è stata fornita da un'analisi di stabilità lineare effettuata per mezzo del codice ETAW, che risolve le equazioni MHD resistive in approssimazione cilindrica. I risultati teorici hanno mostrato un buon accordo con le caratteristiche dei modi osservate sperimentalmente; è stato quindi possibile riconoscerli come appartenenti alla branca dei Resistive Interchange Modes, conosciuti anche in ambito astrofisico come g-mode. Questo risultato è stato esposto in un articolo pubblicato da Nuclear Fusion nel 2010. Il Capitolo 5 mostra l'analisi riguardante un altra attività magnetica ad alta frequenza rilevata sulla componente poloidale della fluttuazione magnetica misurata per mezzo della U-probe, ad una frequenza appartenente all'intervallo 0.1 - 1.2 MHz. Sin dall'inizio, è risultata chiara la natura alfvénica di questi modi. In particolare, la loro frequenza è stata mostrata essere proportionale alla velocità di Alfvén. Sono stati osservati due diversi tipi di modi con le caratteristiche di modi alfvénici: - il primo tipo consiste in due modi distinti, entrambi caratterizzati da bassa periodicità poloidale e toroidale, e sono visibili per tutta la durata della scarica. Le osservazioni sperimentali suggeriscono un'interpretazione di questi modi in termini di Global Alfvén Eigenmodes. Un articolo a questo proposito è stato pubblicato da Nuclear Fusion nel 2011. - il secondo tipo appare solo durante le fasi in cui il plasma assumes un equilibrio elicoidale, detto stato a Singolo Asse Elicoidale. Altre analisi sono necessarie per capire la causa che induce questo tipo di modi alfvénici. Lo studio dei modi alfvénici ha guadagnato importanza nelle ultime decadi, in quanto essi vengono destabilizzati da particelle energetiche; ciò significa che in un reattore a fusione, la presenza di particelle alpha può far nascere modi a profusione. In questo contesto, i risultati sperimentali presentati in questa tesi si collocano come la prima osservazione di modi alfvénici nel plasma di RFX-mod. Il Capitolo 6 riporta alcune osservazioni sperimentali riguardanti un'attività magnetica che sembra essere associata alla presenza di forti gradienti di temperatura. Le analisi preliminari inerenti questi modi e il confrontodelle loro caratteristiche con quelle previste da un codice girocinetico, chiamto GS2, suggerirebbero un'interpretazione dell'attività in termini di instabilità microtearing. Durante il mio dottorato ho partecipato ad una collaborazione tra gli esperimenti RFP RFX-mod e EXTRAP T2R. Il Capitolo 7 è si occupa della descrizione di questa esperienza: la campagna sperimentale è stata dedicata principalmente al ripristino di una sonda inseribile, la sonda \alfven, e all'acquisizione di misure elettrostatiche e magnetiche a diverse inserzioni radiali. Nel capitolo è esposta un'analisi preliminare dei dati, inclusa l'applicazione di Perturbazioni Magnetiche Risonanti e Non-Risonanti (RMP and NRMPs).