Dinámica de partículas alfa en plasma magnetizados y el efecto de las colisiones en la interacción partícula-plasma
Estudiamos la dinámica de partículas alfa en plasmas y el efecto de las colisiones atómicas en la interacción partícula-plasma. En una primera parte, nos hemos enfocado en la dinámica de partículas alfa en dispositivos de fusión por confinamiento magnético, con particular atención en el rol de las c...
Guardado en:
| Autor principal: | |
|---|---|
| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2018
|
| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1091/1/1Clauser.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Estudiamos la dinámica de partículas alfa en plasmas y el efecto de las colisiones atómicas en la interacción partícula-plasma. En una primera parte, nos hemos enfocado en la dinámica de partículas alfa en dispositivos de fusión por confinamiento magnético, con particular atención en el rol de las colisiones elásticas y los procesos atómicos sobre esta dinámica. En una segunda parte, nos hemos enfocado en cómo se ven modificadas las interacciones atómicas (colisiones elásticas e inelásticas) por las propiedades del plasma, al aumentar su grado de degeneración. Esta segunda parte tiene importancia en los estudios de fusión por confinamiento inercial.
Para la parte primera hemos desarrollado un código, FOCUS, que se ejecuta en procesadores gráficos (GPUs). El código sigue orbitas completas de las partículas cargadas, resolviendo la ecuación de Newton con la fuerza de Lorentz. Para ello, puede usar campos calculados de forma analítica o numérica, y también es posible usar la información provista por códigos de reconstrucción de equilibrios o de transporte. FOCUS tiene un módulo de colisiones elásticas que ha sido desarrollado para cubrir todos los rangos de energías de las partículas (no relativistas) involucrados en dispositivos de fusión por confinamiento magnético. Más aún, se ha desarrollado un módulo de colisiones inelásticas para incluir la interacción de las partículas simuladas con el plasma, especies neutras y/o parcialmente ionizadas. Respecto al desempeño computacional del código, la característica principal es que el código se ejecuta en GPUs, lo cual permite simular un gran número de partículas con un costo computacional y económico modesto.
Con el código desarrollado, estudiamos el efecto producido por los cambios de carga sobre la dinámica de partículas alfa en un plasma magnetizado, al considerar procesos atómicos con especies del plasma y neutros. Para ello hemos hecho una búsqueda de los procesos relevantes que pueden intervenir en las condiciones de un plasma de fusión por confinamiento magnético. Empleamos cálculos analíticos y numéricos para mostrar que este mecanismo produce un transporte que puede ser importante en las regiones del borde del plasma. A este mecanismo lo denominamos transporte inelástico.
Este ha sido el primer estudio que presenta una evidencia clara de la importancia de procesos atómicos en la dinámica de partículas alfa. Para realizar estos estudios hemos utilizado, en una primera instancia, aproximaciones sencillas para mostrar la física básica involucrada. Presentamos el proceso difusivo que se origina debido a cambios de carga. Además, hemos mostrado que se produce un
flujo neto cuando hay gradientes de densidades y temperatura en las especies con las que se interactúa. Posteriormente, hemos extendido estos estudios a una configuración magnética tipo Tokamak, con los parámetros previstos para el futuro reactor ITER. Para esta configuración hemos obtenido, con FOCUS, una distribución estacionaria de partículas alfa. Hemos mostrado que, para densidades de neutros suficientemente altas, se produce una modificación del perl de densidad de las partículas alfa debido al transporte inelástico. Finalmente hemos estudiado la redistribución de las partículas alfa sobre la pared y el divertor de ITER, debida a estos procesos atómicos, utilizando datos de códigos ampliamente conocidos por la comunidad de fusión.
En la segunda parte hemos estudiado la pérdida de energía, debida a colisiones elásticas y las resonancias de energía cero que se producen en las secciones ecaces de procesos atómicos. Por un lado, para la pérdida de energía hemos empleado un método colisional semiclásico basado en ondas parciales, y que lo denominamos SPWS. Este método reproduce los resultados cuánticos de una manera satisfactoria aún en condiciones muy exigentes de densidades y temperaturas de plasmas. Hemos comparado este método con el método o formalismo dieléctrico usando una extensión de la función dieléctrica de Linhard para plasmas. A través de esta comparación hemos mostrado las limitaciones que presenta el formalismo dieléctrico y el origen de estas. En todos los casos el método SPWS mostró un comportamiento correcto para diferentes tipos de proyectiles y distintos regímenes de velocidades. Por otro lado, hemos investigado la aparición de efectos de resonancia de energía cero para procesos atómicos que ocurren dentro de un plasma. Para ello, hemos aplicado la teoría de interacción en el estado final para cubrir la presencia de estos efectos en condiciones particulares de densidad y temperatura. Con esta formulación, estudiamos la distorsión que estas resonancias pueden producir en la correspondiente sección ecaz cuando el momento relativo del par de partículas intervinientes en el proceso atómico se anula. Ejemplificamos este desarrollo general para el caso de la fotoionización. Finalmente mostramos que, para con densidades suficientemente bajas y/o temperaturas suficientemente altas (por ejemplo, en plasmas de fusión por confinamiento magnético), estas resonancias pueden suprimirse por los efectos de inhomogeneidades del plasma. Por el contrario, en otras condiciones (por ejemplo, en plasmas de fusión por confinamiento inercial), se puede presentar una situación propicia para la aparición de estas resonancias, produciendo secciones ecaces varias veces superior que las estimadas de manera usual, en el umbral de energía. |
|---|