Solución del problema inverso de equilibrio magnetohidrodinámico en geometría toroidal usando elementos finitos
Los experimentos de confinamiento magnético destinados a producir plasmas con las condiciones requeridas para fusión nuclear representan un camino hacia el diseño de reactores nucleares seguros y de muy bajo impacto ambiental. Este tipo de esquemas involucran un sistema de bobinas de control con co...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2023
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1207/1/1Galfrascoli.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Los experimentos de confinamiento magnético destinados a producir plasmas con las condiciones requeridas para fusión nuclear representan un camino hacia el diseño de reactores nucleares seguros y de muy bajo impacto ambiental. Este tipo de esquemas
involucran un sistema de bobinas de control con corrientes del orden de los mega Amperes interactuando entre sí para mantener un plasma confinado, evitando que entre en contacto con paredes sólidas. Debido a las grandes fuerzas desarrolladas por la interacción de estas corrientes, resulta esencial realizar un diseño adecuado de los campos magnéticos generados. Esta tesis se centra en el modelado y estudio de la configuración de campo magnético producida por el plasma y su interacción con las bobinas externas de posicionamiento y control.
Inicialmente, se proporciona una introducción detallada a la fusión nuclear y se presentan los fundamentos teóricos necesarios para comprender el funcionamiento de los reactores. Se describen los principios físicos de la fusión, las propiedades del plasma y los básicos del confinamiento magnético. Además, se describen las características del experimento ITER, sus componentes principales y los desafíos asociados con la generación y el control del plasma.
A continuación, se aborda el modelado del plasma y se deduce la ecuación de Grad-Shafranov que permite determinar las configuraciones de equilibrio. Se introduce la forma variacional o débil de las ecuaciones que describen los campos magnéticos generados por el plasma y las bobinas externas. A su vez, se explica el proceso de generación de mallas y la implementación en el software FreeFem++ para resolver el problema por el método de elementos finitos. Empleando las distribuciones de flujo magnético
que generan corrientes unitarias en las bobinas y su interacción con el flujo debido a la corriente del plasma, se presenta el método de optimización que permite hallar las corrientes en las bobinas externas que mantienen al plasma en equilibrio con la forma de la separatriz objetivo.
Utilizando esta metodología, se lleva a cabo un estudio de los campos y corrientes en la geometría del reactor DIII-D. Se describe el proceso de mallado y refinamiento espacial utilizado en la simulación, así como el efecto del tamaño del dominio y el refinamiento en la zona periférica en la solución. Se concluye que la resolución en la zona periférica tiene un impacto mínimo en la solución en la zona del plasma, mientras que el tamaño del dominio tiene un mayor impacto. Se encuentra que es importante que el dominio se extienda más allá de 8 veces el radio mayor del tokamak, para que los resultados no se vean afectados por la condición de borde.
Posteriormente, se investiga la variación del flujo en el solenoide central y su efecto en el mapa magnético. Se muestra que la variación de flujo se logra variando la corriente que circula por las bobinas del solenoide central, lo cual afecta al mapa magnético y a
la forma y posición del plasma. Se obtienen conclusiones sobre las corrientes requeridas en las bobinas para mantener la forma y posición del plasma en función de la variación del flujo.
Finalmente, se estudian configuraciones con triangularidad negativa en DIII-D y se comparan con las configuraciones convencionales con triangularidad positiva. Se analiza el equilibrio MHD y la distribución del campo magnético en estas configuraciones y se obtienen mapas magnéticos para cada caso. Estos resultados representan un insumo clave para futuros estudios relacionados al confinamiento y distribución de las pérdidas de partículas energéticas generadas en el plasma. |
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