Riconnessione magnetica, filamenti ed eventi di espulsione in plasmi di laboratorio

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1 XCVI Congresso Nazionale della Società Italiana di Fisica Settembre 2010, Bologna Riconnessione magnetica, filamenti ed eventi di espulsione in plasmi di laboratorio P. Buratti, F. Alladio Associazione EURATOM-ENEA sulla Fusione, C.R. Frascati, Roma, Italy

2 IL PLASMA Un insieme di particelle la cui distanza media sia molto maggiore della distanza di interazione individuale: λ i >> λ L Distanza interparticellare λ i = n -1/3 Esempio di distanza di interazione λ L : con energia di interazione a/r ed energia cinetica W λ L = a / W Questa espressione vale per un insieme di stelle ( formazione dei bracci delle galassie) o di particelle ionizzate ( questa presentazione). La definizione più usata, molte particelle in un volume di Debye n λ D3 >> 1 e equivalente, infatti n λ D3 = (λ i / λ L ) 3/2 La dinamica del plasma e dominata da effetti collettivi.

3 Motivazione In un plasma di interesse fusionistico abbiamo: Alta densità di corrente Forti gradienti di temperatura e rotazione Abbondanza di particelle energetiche. Lo studio dei conseguenti effetti collettivi è indispensabile. Sommario La forma del plasma quiescente Come osserviamo gli effetti collettivi Filamentazione Riconnessione magnetica Instabilità guidate da ioni veloci Paragoni con osservazioni solari

4 Guardiamo il plasma (Joint European Torus) A vuoto Con plasma In luce visibile si vede solo il plasma più freddo (al bordo).

5 Guardiamo il plasma (Frascati Tokamak Upgrade) In istanti particolari vediamo: La topologia toroidale del plasma Corpuscoli ionizzati (detti UFO) che tracciano le linee del campo magnetico in cui il plasma è immerso.

6 La forma del plasma Parametri di FTU e JET: Raggio maggiore del toro R 1 3 m Cammino libero medio λ mfp m Raggio di Larmor ρ 1-5 mm Collisionless skin depth d e mm Lunghezza di Debye λ D mm Numero di Lundquist S Numero di Mach M 0.25 Beta β 1%

7 Filamenti in luce visibile (MAST) Questa volta si usa una telecamera veloce Si scoprono strutture filamentari in rapida evoluzione (cicli di formazione ed espulsione). La formazione di strutture elicoidali che rompono la simmetria toroidale è una manifestazione tipica del comportamento collettivo del plasma. L energia rilasciata da questi filamenti potrebbe danneggiare le strutture affacciate al plasma in un reattore.

8 Altre bande in cui osserviamo il plasma Raggi X (da collisioni e-i con energie tipiche di alcuni kev) UV, visibile (processi atomici e ancora collisioni) Onde millimetriche (Emissione di Ciclotrone Elettronica) Frequenze di Alfvén ( 1 MHz) Frequenze di precessione ( 10 khz)

9 Riconnessione magnetica ai raggi X Le linee di campo sono spezzate e riconnesse ad altre linee La topologia cambia catena di isole magnetiche La formazione di queste isole non è ancora del tutto compresa.

10 Riconnessione magnetica rapida (da ECE) PPCF, 45 L9 (2003) Initial position R=1.04 m displacement exp(γ ρ t) γ ( 4 π ) ρ δ r τ ρ = S η 1 H Plasma axis R=R 0 Inizio esponenziale Poi evoluzione esplosiva

11 Bande di Alfvén: spettroscopia MHD Segnale di una sonda magnetica Spettrogramma 0-1MHz: Oscillazioni pompate da ioni veloci f (khz)

12 Spettroscopia in banda di precessione Spettro 0-70 khz Fino a 10 catene di isole magnetiche Frequenze non del tutto capite

13 Instabilità guidate da ioni veloci H.Schofield 2002 Per ora ioni veloci iniettati come neutri o accelerati da radiofrequenza. Che effetto avranno le particelle α di fusione? Calls of a soprano pipistrelle

14 Riconnessione rapida in FTU e nel Sole Tokamak internal collapse t = 15 µs Sweet-Parker time 1 ms Solar flare (TRACE X Aug. 02) t = 25 Sweet-Parker time weeks The main problems are the rapid time scale and the sudden onset at nearly unchanged macroscopic plasma parameters.

15 Filamenti nel Sole e nel tokamak Filamenti come rulli di un cuscinetto tra il plasma rotante e la parete ferma? Anche i filamenti solari si formano presso una discontinuità di velocità angolare (tacoclina).

16 Risultati recenti Broad band Fishbonelike bursts Continuous n=1 mode