Characterisation of impurity behaviour in RFX-mod and MST reversed-field pinches

Il lavoro presentato in questa tesi si inserisce nel campo della ricerca sulla fisica del plasma condotta con dispositivi confinati magneticamente, il cui obiettivo finale è la dimostrazione della fattibilità della produzione di energia attraverso reazioni di fusione tra nuclei di isotopi di idrogeno. Uno dei principali problemi nell’operare un plasma a confinamento magnetico, sia in un esperimento attuale che in un futuro reattore, è la presenza nel plasma di altri elementi oltre il gas principale: le cosiddette impurezze. Esse si originano principalmente dall’interazione del plasma caldo con i materiali che si affacciano sullo stesso; questi materiali possono essere sia erosi sia rilasciare gas atmosferici precedentemente adsorbiti. Una volta che queste impurezze entrano nel plasma, esse vengono ionizzate ed emettono radiazione attraverso bremsstrahlung e processi atomici (radiazione di linea e di ricombinazione). Se le impurezze si accumulano nel centro del plasma, dove la temperatura è più alta, questo può portare a un drammatico aumento delle perdite tramite radiazione, si possono generare instabilità radiative e il plasma viene diluito con conseguenze negative sulla sua reattività. A questo proposito è estremamente importante mantenere il più basso possibile il contenuto totale di impurezze e controllarne il picco, cioè la posizione in cui si accumulano. Il primo punto può essere affrontato con una corretta scelta dei materiali che si affacciano al plasma e condizionando la prima parete. Il secondo punto necessita di uno studio del trasporto di impurezze in diversi scenari, comprendendo cosa ne impedisce l’accumulo nel centro del plasma. Il flusso radiale di impurezze è generalmente espresso mediante due coefficienti di trasporto: il coefficiente di diffusione e la velocità convettiva. La determinazione di questi coefficienti in diversi scenari permette di capire e controllare il picco delle impurezze. L’attività di dottorato sviluppata durante questi tre anni è incentrata su questo argomento: la comprensione del comportamento del trasporto di impurezze in diversi scenari mediante la determinazione dei coefficienti di trasporto. Questa analisi è stata condotta su una particolare configurazione magnetica: la strizione a campo rovesciato. Lo studio è stato effettuato sui due principali esperimenti operanti in questa configurazione: RFX-mod situato a Padova (Italia) e MST situato a Madison (WI, USA). Il metodo di analisi consiste nella riproduzione per mezzo di un codice unidimensionale di trasporto di impurezze dei segnali di plasma che sono principalmente interessati dalla presenza di impurezze. Per discriminare i due coefficienti sono necessari dei transienti nei segnali del plasma, che vengono poi riprodotti dal codice. Questi transienti sono solitamente indotti mediante l’introduzione artificiale di impurezze nel plasma; il codice riproduce le variazioni nelle emissioni o nella densità delle impurezze (a seconda delle misurazioni disponibili), causate dagli atomi introdotti. Riproducendo le misurazioni con la simulazione, si ottiene una stima dei coefficienti di trasporto. Una volta che i coefficienti sono stati stimati, essi sono confrontati con modelli teorici per comprendere la natura del trasporto in un particolare scenario del plasma. Per entrambe le macchine, attraverso l’applicazione di questo metodo, è stato studiato il trasporto di diverse specie di impurezze (intrinseche e non) in diversi regimi magnetici. In RFX-mod, sono stati eseguiti e successivamente riprodotti con il codice diversi esperimenti con iniezione di pellet di carbonio e litio, consentendo di determinare i coefficienti di trasporto per i due elementi. Inoltre sono stati condotti i primi esperimenti con iniezione di tungsteno; il suo spettro di emissione è stato acquisito e la sua capacità penetrante è stata indagata. In MST erano disponibili delle misurazioni della densità di impurezze per le varie specie intrinseche; queste misurazioni sono dipendenti dal tempo ed eseguite in due diversi regimi magnetici. La loro riproduzione con il codice di trasporto ha permesso di stimare i coefficienti di trasporto. Questo manoscritto è organizzato in due parti principali: i primi tre capitoli costituiscono la parte introduttiva, i capitoli quattro e cinque formano il lavoro originale di questa tesi. Capitolo 1 introduce il ruolo delle impurezze nei plasmi fusionistici. Ne sono descritti i processi di produzione come pure i loro effetti sulle proprietà del plasma. La radiazione emessa dalle impurezze è suddivisa nelle sue componenti (continua e prodotta da processi atomici), le quali sono brevemente caratterizzate. Successivamente vengono presentati i diversi modelli utilizzati per descrivere le popolazioni di ioni: corona, termodinamico locale e collisionale-radiativo. Infine il trasporto radiale di impurezze è raffigurato nella sua forma analitica, secondo la formulazione classica e neo-classica. Capitolo 2 descrive la configurazione magnetica della strizione a campo rovesciato. Il trasporto di particelle in questa configurazione è presentato analiticamente. Capitolo 3 fornisce i dettagli dello strumento di simulazione utilizzato in questa tesi per la riproduzione delle misure sperimentali. Il codice è costituito da un modello di trasporto accoppiato ad un modello collisionale-radiativo per varie specie. Sono descritti entrambi i modelli nonché gli ingressi e le uscite del codice. Capitolo 4 riporta l’analisi effettuata su RFX-mod circa il trasporto di impurezze. Sono descritti gli esperimenti transitori condotti attraverso l’iniezione di pellet di carbonio e litio e ne sono presentati i risultati. I coefficienti di trasporto sono stimati per le diverse specie in diversi scenari magnetici. In seguito sono presentati gli esperimenti effettuati con l’iniezione di tungsteno attraverso la tecnica dello sfogo di laser; i risultati sono discussi e confrontati con i resoconti di altri esperimenti. Capitolo 5 affronta l’analisi realizzata su MST circa il trasporto di impurezze. Le misurazioni della densità di impurezze effettuate per le varie specie intrinseche sono riprodotte con il codice in diversi regimi di plasma. Sono presentati i coefficienti di trasporto stimati e sono confrontati con i modelli teorici. Capitolo 6 conclude la tesi con una discussione dei risultati più importanti conseguiti ed una panoramica dei possibili sviluppi futuri.