Fast-Ion Transport and Acceleration Induced by Edge Localized Modes in MAST Upgrade and ASDEX Upgrade

• Autores: Juan Francisco Rivero Rodríguez
• Directores de la Tesis: Daniel García Vallejo (dir. tes.), Manuel García Muñoz (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2021
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 128
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen

  • La fusión nuclear se esboza como una fuente de energía sostenible, de bajas emisiones y que aportará potencia de base al mix eléctrico. Los tokamaks son los dispositivos más avanzados para la obtención de energía mediante fusión nuclear y operan en condiciones cercanas a las de las futuras centrales nucleares. Hoy en día, los tokamaks existentes tienen como objetivo resolver los desafíos científicos y técnicos que plantean las futuras plantas de fusión nuclear. En los tokamaks, los iones rápidos, -- aquellos iones cuya energía es superior a la del resto del volumen de plasma --, se emplean para aumentar la temperatura del plasma hasta energías donde la fusión se hace patente. Los iones rápidos pueden perder el confinamiento debido a interacciones con perturbaciones electromagnéticas de diversa naturaleza, siendo esto un riesgo para el rendimiento del plasma y para la integridad del reactor. En el modo de operación de alto confinamiento, conocido por H-mode, aparecen de forma repetitiva inestabilidades magnetohidrodinámicas (MHD) explosivas localizadas en el borde, conocidas como Edge Localized Modes (ELMs). Los ELMs liberan una gran cantidad de energía y momento hacia las paredes del plasma, cuyo efecto se estima intolerable en futuros tokamaks. Además, investigaciones recientes en el tokamak ASDEX Upgrade han observado un aumento en las pérdidas de iones rápidos a energías por encima de su energía de inyección, que aparecen relacionadas con la actividad de los ELMs. Estas observaciones sugieren que existe una interacción entre los ELMs y los iones rápidos, que resulta en la aceleración y pérdida de estos últimos. Este trabajo tiene como objetivo de estudio las pérdidas de iones rápidos inducidos por ELMs. Para conseguir este objetivo, la tesis ha abarcado el desarrollo de herramientas numéricas y el diseño de diagnósticos experimentales. En el aspecto numérico, se han utilizado códigos de seguimiento de órbitas como ASCOT5 y se han implementado perturbaciones electromagnéticas 3D que evolucionan en el tiempo. Esto ha permitido investigar los principales mecanismos de transporte y aceleración planteados para esclarecer la pérdida de iones rápidos inducida por ELMs. En el ámbito experimental, durante esta tesis se ha diseñado el primer detector de pérdidas de iones rápidos (FILD) en el tokamak esférico MAST-U. El diagnóstico está montado sobre un mecanismo de rotación y traslación que permite adaptar la sonda a diferentes orientaciones [0o, 90o] y posiciones radiales [1.40 m, 1.60 m]. Los primeros datos experimentales del FILD de MAST-U se esperaban obtener a lo largo de esta tesis. Sin embargo, distintos retrasos en el comienzo de la campaña experimental de MAST-U han impedido poner el diagnóstico en funcionamiento. Por este motivo, los planes experimentales y numéricos han tenido que seguir distintos planteamientos. Los experimentos, que se han realizado en ASDEX Upgrade, han tenido como objetivo expandir el alcance de las observaciones de pérdida de iones rápidos inducidas por ELMs, llevando a cabo nuevos rastreos para detectar los parámetros que más afectan en la interacción entre los iones rápidos y los ELMs. Con respecto al modelado, se busca realizar un modelado que permita reproducir las principales observaciones experimentales en ASDEX Upgrade y revele los mecanismos básicos de transporte y aceleración de iones rápidos durante los ELMs. Además, el modelado en MAST-U ha permitido preveer la señal de FILD, que se ha podido comparar con la señal en ASDEX Upgrade.