Risultati di simulazioni con un codice ibrido Magnetoidrodinamico- Girocinetico (MHD-GK)

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1 Risultati di simulazioni con un codice ibrido Magnetoidrodinamico- Girocinetico (MHD-GK) G. Vlad, S. Briguglio, G. Fogaccia Associazione EURATOM-ENEA sulla Fusione, Frascati, (Rome) Italy Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 1

2 La geometria del tokamak: una ciambella (toro) Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 2

3 La geometria del campo magnetico nel tokamak Le superfici magnetiche sono ciambelle innestate le une dentro le altre, con un passo di avvolgimento delle linee di campo magnetico differente tra una superficie e l altra: Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 3

4 Onde di tipo alfvénico - 1 Le onde di tipo shear Alfvén sono onde puramente transverse (le perturbazioni di campo magnetico e velocità del fluido sono tra di loro parallele e perlendicolari al campo magnetico di equilibrio. L onda viaggia con una velocità di gruppo parallela al campo magnetico di equilibrio (analogamente ad una corda elastica dotata di massa e posta in tensione): Strutture tipiche che osserveremo nelle simulazioni: Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 4

5 Onde di tipo alfvénico - 2 Risultati ottenuti da un codice che simula un plasma, cioè un gas altamente ionizzato, composto da ioni di carica positiva e elettroni, ad alta temperatura, e descritto dalle equazioni della magnetoidrodinamica, in cui è anche presente una o più specie altamente energetiche descritte da equazioni cinetiche. I due sistemi (plasma termico e specie energetiche) sono fortemente accoppiati tra loro. plasma: un gas altamente ionizzato, composto da ioni di carica positiva e elettroni, denso e ad alta temperatura, globalmente neutro magnetoidrodinamica (MHD): una combinazione delle equazioni che descrivono un fluido ordinario (p. es., equazioni di Navier-Stokes) e le equazioni di Maxwell, che descrivono i campi elettromagnetici equazioni cinetiche: equazioni che descrivono il dettaglio della funzione di distribuzione di una specie (spazio delle configurazioni, spazio delle velocità) Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 5

6 Codice di simulazione ai valori iniziali Inizializzazione del codice con una condizione iniziale, formazione di un onda stazionaria (animazione: caso_n5_diii_d_1_lin_gw_01_standing_wave_formation_an_ph.mov): Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 6

7 Spettro continuo di Alfvén, Toroidal Alfvén Eigenmode (TAE) Eccitazione di onde dello spettro continuo di Alfvén (curve continue nere) e di modi globali (stessa frequenza di oscillazione in una regione spaziale estesa, intensità di colore rosso) Il meccanismo di formazione di una regione proibita in frequenza ( gap ) in cui possono esistere modi discreti è analogo a quello che permette la creazione di bande di energia proibite per un elettrone che si muove in un reticolo con potenziale periodico (modulazione poloidale del campo magnetico modulazione del reticolo cristallino) Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 7

8 Forzamento dei modi globali da parte di particelle energetiche Se le particelle energetiche hanno un moto caratterizzato da frequenze di risonanza con le onde alfvéniche, esse possono forzare le onde stesse e farle crescere (renderle instabili) moto di precessione di una particella intrappolata (frequenza di intrappolamento, frequenza di precessione) orbita di una particella circolante (frequenza di transito) I prodotti della fusione termonucleare (particelle alfa) hanno energia (velocità) tale da avere frequenze caratteristiche nello stesso range delle frequenze Alfvéniche Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 8

9 Simulazione per JET: valanghe - 1 I modi guidati da particelle energetiche possono essere dannosi per un reattore a fusione? rβ H rβ H rβ H r max Linear phase r/a Convective phase r max r/a Diffusive phase r max r/a Simulazione per una scarica con i parametri di JET (Joint European Torus): un modo globale è reso instabile dalla presenza di una popolazione di particelle energetiche dopo una fase di crescita esponenziale, il modo rallenta la sua crescita e, alla fine, satura per effetti non lineari la fenomenologia osservata è analoga a quella di una valanga, dove un fronte di materia si sposta nello spazio (trasporto convettivo) Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 9

10 Simulazione per JET: valanghe - 2 I modi guidati da particelle energetiche (EPMs) possono essere dannosi per un reattore a fusione? Le particelle energetiche sono spostate dall interazione risonante con in modo verso la parte esterna della colonna di plasma Il modo, a sua volta, segue le particelle energetiche verso l esterno Le particelle non riscaldano più in maniera efficace la zona centrale del plasma (quella più densa e più calda, dove avvengono in maniera predominante le reazioni di fusione) Se le particelle energetiche escono dalla colonna di plasma prima di aver ceduto la loro energia al plasma stesso, possono danneggiare seriamente la camera da vuoto animazione: n4_jet_7_avalanches-export-quicktime.mov Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 10

11 Evidenza sperimentale di un EPM: JT-60U - 1 Si sono mai osservate evidenze sperimentali di modi guidati da particelle energetiche? Nel tokamak giapponese JT-60U esistono misure veloci del profilo di densità di particelle energetiche (non sono particelle di fusione, ma sono fasci i particelle accelerate deposte all interno del plasma) Le simulazioni sono in buon accordo con quanto osservato sperimentalmente animazione: sldown_n1_jt60u_den_fast_before_14.mov Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 11

12 Evidenza sperimentale di un EPM: JT-60U - 2 Vediamo in dettaglio che succede alla distribuzione delle particelle energetiche nella zona radiale r/a~0.5 dove il modo EPM è localizzato F SD : funzione di distribuzione iniziale slowing-down delle particelle energetiche nello spazio (E, α=arccos(v /v)) F: funzione di distribuzione delle particelle energetiche dopo la saturazione non lineare F-F SD : differenza Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 12

13 Evidenza sperimentale di un EPM: JT-60U - 3 Correliamo lo scambio di energia tra particelle e onda in tre diverse corone di plasma animazione: deltaf-power mov 0. r/a r/a r/a 1. variazione della funzione di distribuzione (blu<0, rosso>0) scambio di energia tra onda e particelle (blu<0, rosso>0) Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 13

14 Dinamica di particella singola - 1 Osserviamo il moto di alcune particelle energetiche test durante la simulazione di un modo guidata dalle particelle energetiche animazione: sldown_n2_iter_sc4_33-export-quicktime.mov Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 14

15 Dinamica di particella singola - 2 Osserviamo il moto di alcune particelle energetiche test durante la simulazione di un modo guidata dalle particelle energetiche particella circolante (alla nascita) animazione: sldown_n2_iter_sc4_rampe_90_an_ph_o_p14_delay_0.002-export-quicktime.mov Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 15

16 Dinamica di particella singola - 3 Osserviamo il moto di alcune particelle energetiche test durante la simulazione di un modo guidata dalle particelle energetiche particella intrappolata (alla nascita) animazione: sldown_n2_iter_sc4_rampe_90_an_ph_o_p20_delay_0.002-export-quicktime.mov Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 16

17 Dinamica di particella singola - 4 Osserviamo il moto di alcune particelle energetiche test durante la simulazione di un modo guidata dalle particelle energetiche particella intrappolata (alla nascita) animazione: sldown_n2_iter_sc4_rampe_90_an_ph_o_p67_delay_0.002-export-quicktime.mov Seconda Università di Napoli - 15/6/ ITM - G. Vlad 17

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