Cálculo del equilibrio MHD a partir de información experimental en tokamaks avanzados
La tecnología para obtener energía aprovechable de la fusión de núcleos livianos se encuentra aún en desarrollo. Si bien este tipo de reacciones se han logrado en el laboratorio hace muchos años, aún no se ha logrado fabricar un reactor capaz de liberar más potencia producida por fusión que la nece...
Guardado en:
| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2022
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1128/1/1Morgan.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | La tecnología para obtener energía aprovechable de la fusión de núcleos livianos se encuentra aún en desarrollo. Si bien este tipo de reacciones se han logrado en el laboratorio hace muchos años, aún no se ha logrado fabricar un reactor capaz de liberar más potencia
producida por fusión que la necesaria para mantener las condiciones requeridas, en forma estacionaria o casi-estacionaria. El próximo paso en esta carrera tecnológica es la construcción de ITER (International Thermonuclear Reactor) que, usando un plasma producido por una configuración tipo tokamak, ha sido diseñado para liberar una potencia de fusión diez veces mayor que la potencia de calentamiento requerida para mantener las condiciones del plasma que forman los reactivos. Para lograr este objetivo, se requiere lograr un plasma con buena estabilidad en las condiciones que permiten una cantidad de reacciones de fusión suficientemente grande. Para lograr esto se debe tener un modelo preciso del plasma y su estructura interna y un buen sistema de control de sus perfiles, entre otros requisitos. La mayoría de este tipo de modelos requieren como insumo la configuración de campo en estado de equilibrio de fuerzas magnetohidrodinámicas (equilibrio MHD). De los numerosos métodos y códigos para resolver el equilibrio MHD que existen a día de hoy, la mayoría lo hacen partiendo de información que no se puede obtener directamente en forma experimental. Para obtener la configuración magnética en la práctica se recurren a códigos de reconstrucción del equilibrio que resuelven una aproximación linealizada del problema y ajustan parámetros para aproximar lo mejor posible una serie de observables (problema de minimización con restricciones). Aunque esta estrategia permite describir adecuadamente los campos en experimentos actuales, su adaptación al diseño de escenarios y estrategias de control en plasmas con nuevas condiciones puede volverse un factor limitante.
En esta tesis se introduce un esquema numérico para obtener la configuración de campo magnético de equilibrio MHD en tokamaks, y configuraciones axisimétricas en general, a partir de información experimental. La información requerida es una estimación del perfil de presión en función del radio menor del toroide y el perfil radial de ángulo de inclinación del campo magnético en el plano ecuatorial. El perfil de presión se puede inferir a partir de la emisión de ciclotrón de los electrones del plasma, mientras que el ángulo del campo magnético se determina rutinariamente mediante una técnica denominada Motional Stark Effect (MSE). A partir de esta información, el esquema iterativo propuesto permite obtener y resolver la ecuación diferencial de Grad-Shafranov que describe el equilibrio. Para la resolución de este problema inverso, se emplea una secuencia de problemas diferenciales no lineales de segundo orden, que se aproximan mediante el método de elementos finitos. Además de introducir y validar el esquema numérico, se analiza la estructura y distribución de corrientes en los escenarios de operación previstos para ITER. |
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