Confinamiento magnético

3) - El confinamiento magnético

Cómo montar partículas que no tienen, a priori, ninguna razón para estar juntas? En el sol, se admite la gravedad. En la Tierra, se utiliza campos magnéticos potentes.

a) las trayectorias de las partículas

Confinar el plasma en un tokamak se basa en la propiedad de que las partículas cargadas describen un recorrido helicoidal alrededor de una línea de campo magnético. Mira el movimiento de una partícula cargada en torno a una línea recta del campo magnético.

Voir le film "trajectoire droite" (mpg, 493 ko)

La partícula, representada en azul, describe una hélice alrededor de la línea de campo que sigue el centro de la guía de la ruta, se materializó en verde.

El radio de giro de la partícula, llamada Larmor radio de giro, depende de la intensidad del campo magnético de la masa y la carga de la partícula, y la energía. El campo magnético es más potente, el radio de Larmor es pequeño, la partícula restante "grabado" en la proximidad de la línea de campo. Además, los electrones son mucho más ligeros que los iones, tienen un radio de Larmor significativamente menor a la misma energía. Por último, las partículas de alta energía tienen un radio de Larmor mayor que las partículas de baja energía, y por lo tanto son más difíciles de contener. El radio de Larmor puede variar típicamente entre milímetros de partículas de baja energía con un campo magnético fuerte y decenas de centímetros de partículas muy energéticas.

El truco es, entonces, para cerrar la línea de campo sobre sí mismo para atrapar la partícula, como se puede ver a continuación.

Ver le film "trayectoria cilindrica" (mpg, 750 ko)

Es entonces en una configuración en la que la dirección del campo magnético es puramente toroidal.

Desafortunadamente, en una simple trayectoria circular de este tipo, la partícula se somete a una deriva lenta transversal relacionada con el gradiente de campo magnético y fuerza centrífuga, y la dirección depende del signo de su oficina. Por ejemplo, los iones se desplazarán hacia arriba (como se muestra en los contras diagrama) y electrones hacia abajo.

Para compensar esto, la idea era para estabilizar la configuración mediante la adición de un componente poloidal al campo magnético toroidal. Es la configuración magnética utilizada en el tokamak. Las líneas de campo se convierten en hélices que enrollan alrededor superficies tóricas anidados, dichas superficies magnéticas.

La partícula continuación, pasa la mitad del tiempo de la cabeza, donde el estabilizador vertical, que se supone arriba, como en el siguiente ejemplo, la distancia desde la superficie magnética, y el otro medio al revés, donde el desplazamiento vertical más cerca de la superficie magnética. El efecto de deriva se compensa en promedio.

Partícula después de una línea de campo helicoidal

En un tokamak, el campo magnético toroidal es generado por bobinas externas, mientras que el campo magnético poloidal es inducido por una corriente que circula en el plasma toroidalmente. Esta corriente es en sí genera por efecto transformador, desde un circuito primario, el secundario es el plasma. Tore Supra tiene la distinción de ser equipado con imanes superconductores, que le permiten proporcionar campo toroidal continua (máquinas con imanes convencionales están limitadas en su duración por los serpentines de calefacción de cobre). La duración de la descarga se limita entonces por la capacidad del circuito primario generación de plasma actual inducir campo poloidal.

Por último, hay otra configuración, llamada de retorno stellarator, en la que el campo magnético está totalmente asegurado por las bobinas externas, toroidal como poloidal. El hecho de no tener alta corriente que circula en el plasma es una ventaja en caso de interrupción del plasma pero se paga en términos de complejidad de la bobina magnética es necesario. Vemos en este diagrama el proyecto stellarator página web alemana W7X

, o la bobina se muestra en el plasma azul y naranja

Principio stellarator (fuente:Euratom-IPP )

el paso de la hélice se llama factor de seguridad en cada superficie magnética (es decir, los números grandes torres toroidales necesarios para hacer 1 pequeño giro poloidal). En una configuración de tokamak, este factor de seguridad varía típicamente de 1 al centro de plasma hasta el borde unas pocas unidades. Tenga en cuenta que en el caso general, si seguimos la línea de campo, se describe completamente la superficie magnética alrededor del cual se enrolla sobre sus pasos sucesivos. Esto es cierto excepto en el caso de un factor de seguridad racional (es decir, la relación de dos números enteros). En este caso particular, la línea de campo se cierra sobre sí mismo después de toda una serie de vueltas, lo que le da las propiedades específicas de la superficie magnética (modificación local del transporte, desencadenar las inestabilidades, ...)

Por último, es de destacar que, en una primera aproximación, las cantidades macroscópicas (densidad, temperatura, presión ...) son homogéneos en una superficie magnética. Podemos describir en una sección poloidal simplemente basado en el radio de la plasma, por ejemplo, tomando el valor de cada círculo blanco que ilustra una superficie magnética en el siguiente diagrama. Se habla de perfil radial (dependiendo sólo de la radio), que es en el caso de la densidad, la temperatura y la presión máxima en el centro de plasma y disminuir hacia el borde del relleno, como se muestra en la figura a continuación a continuación.

La trampa magnética que confina las partículas no es tan fácil de implementar: el plasma no aprecia y busca contrarrestar el campo magnético que se le impuso ...

b) Estabilidad de contención

Con la configuración del tokamak, obtenemos para confinar las partículas, compensando la presión de plasma, que busca expandirse como un gas, la presión magnética. Por desgracia, este equilibrio, por lo que es relativamente fácil de lograr, puede volverse inestable, es decir, es probable que crezca con el tiempo una pequeña perturbación, y en algunos casos conducen a la pérdida completa de la contención: esto se llama una interrupción. En otros casos, es sólo una pérdida parcial de contención que no implique la pérdida súbita de la descarga, pero se degrada considerablemente el rendimiento.

Por ejemplo, aquí vemos experimentalmente la imagen de una alteración en el equilibrio de Overlock magnética. El flujo de imágenes vistas superficies X se deben corresponder a las superficies de flujo teóricos en negro en la figura, como es el caso de la animación de abajo contras. Pero la inestabilidad crece y perturba la disposición de la configuración magnética. Se finalizará con una interrupción ...

interrupciones

Una interrupción puede tener muchas consecuencias. Cualquier disminución repentina de la corriente de campo y / o magnético induce corrientes y / o espejos de campo magnético en los componentes que rodean la máquina. Estos componentes están sometidos a fuerzas de repente que pueden ser considerables. Sobre la corriente de plasma inicial es alta (y, a menudo cuenta en Mega Amp en los tokamak) y el tiempo que tarda en desaparecer es corto, informar el cambio más corriente es abrupta, más perturbación es grave. Tokamak están dimensionados para resistir estos eventos (utilizando materiales no magnéticos, la estructura de la máquina es muy robusto, que aísla eléctricamente las partes en contacto, se fija a fondo todos los componentes dentro de la cámara ). Además de estos esfuerzos mecánicos, toda la energía en el plasma también se deposita en un tiempo muy corto en los componentes de la cámara de vacío, que están diseñados para resistir estos choque térmico extremo. Por último, una interrupción también tiene consecuencias para el programa experimental: en general es difícil para reiniciar directamente después de una interrupción, y a menudo requiere el uso de la limpieza de las descargas antes de reanudar el curso de los experimentos. A pesar de las interrupciones están actualmente siendo parte de la vida cotidiana de los tokamak existentes, que están en la etapa de herramientas de investigación, por lo que entendemos el interés que hay que tratar de evitar, sobre todo mediante el estudio de la estabilidad de los equilibrios magnéticos.

Voir le film "Inestabilidades" (gif, 1600 ko)

Las inestabilidades

El estudio de la estabilidad de los equilibrios magnéticos se llama magneto-hidrodinámica (MHD para abreviar). Este nombre complicada simplemente cubre el concepto de fluido (hidro) en movimiento (dinámico) en un campo magnético (magnético), que se aplica exactamente a lo que el plasma en un tokamak. Querer confinar un plasma caliente en un recinto inmaterial formado por las líneas de campo magnético, que es un poco como tratar de contener un gas a presión en un tubo. Otra comparación que comúnmente se oyó entre los físicos para ilustrar la dificultad de la cuestión es el del anillo de mermelada de limitar el uso de cinta adhesiva ... Más en serio (versión del plasma fotografiada), que recoge el el ejemplo de la cámara de aire, la MHD optimiza las características de la sala (geometría, espesor de caucho ...) de manera que resiste la presión del gas sin estallar o deformar o escape. B se denomina la relación de la presión cinética del plasma (con relación a su densidad y su temperatura) la presión magnética de confinamiento de (proporcional a la intensidad de campo magnético). Para el "tubo" no explota, es necesario que el confinamiento magnético es más fuerte que las fuerzas de presión de plasma, es decir, que esta relación es menor que 1. En la práctica, se encuentra que este límite b es mucho menor que 1, del orden de unos pocos por ciento, debido a la aparición de inestabilidades. Esto limita notablemente la densidad máxima que se puede obtener, ya que la presión cinética plasma es proporcional a la misma.

Para entender el concepto de estabilidad de un equilibrio, la analogía más simple es el de la bola que rueda sobre una superficie ondulada. Dependiendo de la geometría de la superficie, el saldo de la pelota será estable, metaestable o inestable, como se muestra a continuación.

Los mecanismos de inestabilidad en la física del plasma son casi infinitas ... Algunos inestabilidades tienen similitudes con ejemplos de la mecánica de fluidos, como Rayleigh Taylor, que consiste en la superposición de dos fluidos mediante la colocación de la más pesada en La parte de arriba. Imagínese, por ejemplo, un recipiente en el que se vierte agua y luego, con cuidado, el aceite en la parte superior. El sistema se encuentra entonces en un equilibrio metaestable. La más mínima película causará un cambio, el paso de fluido más pesado bajo el líquido más ligero, lo que corresponde a un equilibrio estable.

Otro tipo de inestabilidad es la inestabilidad de torsión que se producen cuando una corriente paralela al campo magnético presenta una líneas de campo de torsión, recordando el efecto obtenido si torsiones de la cuerda demasiado: se retuerce y hechas conchas. Otras inestabilidades son realmente limpio en la física del plasma y no tienen equivalente en otras áreas

La trampa magnética que confina las partículas no es perfecta: a pesar de la configuración magnética, una deriva lenta conduce las partículas del centro de descarga hasta el borde ... Más que los fenómenos de transporte, al menos confinamiento es buena.

c) el transporte de partículas y el calor

Una vez establecido el equilibrio magnético estable, vimos las partículas, cuando se consideran individualmente, siga las líneas del campo magnético, el radio de Larmor y casi deriva movimientos. Sin embargo, se enfrentan a otros fenómenos que van a cambiar esta imagen sencilla de lograr mecanismos de transporte más complejas, que pueden clasificarse en dos categorías principales:

transporte neoclásica: los efectos de las colisiones entre partículas, que van desvían de su trayectoria inicial en una especie de paseo aleatorio, lo que resulta en una difusión radial cuando se "saltan" una superficie magnética a otro bajo el efecto del choque. dijo que este transporte es neoclásico.

entonces podemos cambiar la imagen simple de la partícula a lo largo de su línea de campo como se muestra a la izquierda con la imagen de una sucesión de saltos de una línea de campo a otro, como se muestra en el panel de la derecha

Transporte dicho "anormal": los efectos de la turbulencia, es decir, las fluctuaciones de los campos eléctricos y magnéticos dan lugar a la propagación de las ondas en el plasma. Esto resulta en un aumento en el transporte de calor y partículas. Este transporte, dijo anormal, lo que resulta en desarrollos teóricos significativos. Si la teoría lineal está ahora bien establecida y se usa para predecir las condiciones en que una ola se vuelve inestable, que ya no es válida cuando la ola más grande es, a continuación, debe pasar a modelos no lineales más complejas para simular la evolución inestabilidad.

El fenómeno de transporte de calor es bastante similar a la de transporte de partículas. En primer lugar, las partículas que se difunden llevan su propio poder: la convección. A continuación, las colisiones permiten que las partículas se intercambian energía: la conducción de calor.

Este fenómeno de difusión en el interior de la descarga hacia el exterior, por lo tanto tiende a "volcar" el contenido de partículas de plasma y la energía, y determina el rendimiento de contención de la máquina. La difusión de las partículas se caracteriza por un coeficiente de proporcionalidad, llamado coeficiente de difusión, entre las partículas de fundente y el gradiente de densidad. Del mismo modo, para el calor, el coeficiente de difusión se define por la relación entre el flujo de calor y el gradiente de temperatura. Durante este coeficiente, mayor es la propagación es alta, y menos confinamiento es bueno.

Experimentalmente, se produce una pérdida de energía mucho mayor (y por lo tanto un tiempo de confinamiento mucho menor) que predicen el único transporte neoclásico: el transporte anómalo parece que el término dominante. Muchos estudios están en curso para perfeccionar la comprensión de los fenómenos que podrían explicar este transporte anómalo. En particular, se trata de establecer la dependencia del coeficiente de difusión en función de los parámetros del plasma y la máquina. Se han identificado dos tipos de comportamiento:

comportamiento Bohm: el coeficiente de difusión no depende del tamaño de la máquina (y por tanto no ganamos moviendo a un reactor grande)

comportamiento Gyrobohm: el coeficiente depende favorablemente sobre el tamaño de la máquina (y por lo tanto se proporciona una alta ganancia a través del reactor)

Las tendencias de los últimos estudios es que el comportamiento es diferente dependiendo de la especie (electrones o iones) y el modo de contención:

electrones son de tipo Gyrobohm independientemente modo de contención

Los iones son el modo normal Bohm tipo de confinamiento, y se convierten en Gyrobhom cuando se va en el modo de confinamiento mejorado.

Leer más: Modelado de la turbulencia de cinco dimensiones en el plasma tokamak

Dado que el plasma no puso, los físicos han desarrollado escenarios donde se crea una barrera de transporte en el plasma, para retener las partículas en el centro de la descarga y una contención más eficaz.

Hoy en día, el modo H, plan de contención eficiente, en referencia a la próxima generación de máquinas, está firmemente establecida, y la investigación está en marcha en los llamados escenarios alternativos "tokamak avanzado".

d) Modos de confinamiento

La comprensión teórica de los fenómenos de difusión radial sigue siendo limitada, se llevaron a cabo muchos estudios experimentales sobre el confinamiento de las máquinas principales en todo el mundo. Este reunió a una gran base de datos de la cual se determinó de leyes de escala empíricos, que expresa el tiempo de confinamiento de los principales parámetros de la máquina y el plasma, por mucho que se utilizó para pruebas de túnel de viento para establecer algunas leyes de la mecánica de fluidos. Esto es de suma importancia para ser capaces de extrapolar el rendimiento de contención de una máquina de próxima generación.

La primera escala de dicha ley, establecida en régimen óhmico, es decir, sin alimentación adicional, siempre y especialmente para un aumento del tiempo de confinamiento con la gran variedad de la máquina. a continuación, se estudiaron dietas con potencia adicional necesaria para elevar la temperatura de plasma a las condiciones necesarias para el reactor futuro: se descubrió que la contención fue deteriorando compara con los valores obtenidos al aumentar el poder de resistencia acoplada a la plasma.

El modo H

Sin embargo, se ha descubierto que bajo ciertas condiciones, había un umbral de potencia de la que se mejora de repente el confinamiento (aunque sigue siendo generalmente más bajo que el rendimiento óhmica): Este régimen confinamiento mejorado fue llamado modo de H (de "High contención "o fuertes confinamiento en Inglés) en oposición al modo obtenida por debajo de la línea de alimentación de confinamiento, dicho método L (para" bajo confinamiento ", o bajo confinamiento en Inglés). Mejora el tiempo de confinamiento casi un factor de 2 en comparación con el modo L El descubrimiento de esta forma de contención mejorada, ASDEX máquina en los años 80, ha sido crucial para la fusión termonuclear, y el modo de H sigue siendo el escenario de referencia para la siguiente etapa de la máquina del ITER.

Aquí se puede apreciar en contra de la base de datos utilizada para determinar la ley de escala para el tiempo de confinamiento en el modo de H, y muestra el buen acuerdo entre los resultados experimentales de diferentes equipos ordenados y el resultado de la ley de escala del eje x.

Esta ley empírica proporciona:

un aumento del tiempo de confinamiento con el gran radio de la máquina y la corriente de plasma (lo que explica en parte el JET, la mayor de las máquinas actuales, obtener el mejor rendimiento)

degradación con plasma adicional de potencia acoplado

Para la próxima generación tokamak ITER, una extrapolación basada en la ley de escala establecida a partir de los resultados de las máquinas actuales predijo un tiempo de confinamiento de unos 5 segundos, lo que logra los objetivos del proyecto (factor amplificación Q = 10). Tenga en cuenta que la potencia umbral de transición de moda L - H modo depende entre otras cosas del tamaño de la máquina, lo que conduce a una cifra muy alta en el caso de ITER.

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Los mecanismos de estabilización para cambiar al modo H todavía no se comprenden plenamente y son objeto de numerosos estudios, teóricos y experimentales. Si el modo de H fue originalmente descubierto por casualidad, ahora sabemos que la estabilización de turbulencia, que provoca la degradación de la contención se logra a través de un diferencial en las diferentes superficies magnéticas velocidad de rotación poloidal ( el hecho de que la velocidad de rotación varía al pasar de una superficie a otra se denomina una velocidad de cizallamiento). De hecho, las superficies magnéticas están girando bajo el efecto de los campos eléctricos predominantes en el plasma. Una modificación de estos campos eléctricos causar una velocidad de cizallamiento que impide la turbulencia a desarrollar. Una barrera de transporte se crea en el borde de la descarga, y la retención de calor partículas en el núcleo del plasma. El punto más característico de este escenario es la aparición de fuertes gradientes en la zona del lado de descarga, lo que lleva, en particular, a la creación de una presión de plasma en pedestal, con respecto a su densidad y su temperatura: curva rojo que representa el modo de H en el diagrama de abajo es más pronunciada en la zona marginal como la curva verde correspondiente al modo L

Sin embargo, no hay que imaginar que la situación está en calma: la fuerte pendiente en el borde dar lugar a inestabilidades específicos en el modo H, llamado ELM (por Edge modos localizados). El perfil de presión de plasma se relaja periódicamente al menos pronunciada (línea punteada negro debajo de la línea roja en el diagrama). A continuación, la barrera se reconstruye, el perfil se tensó de nuevo antes de caer a la siguiente ELM. En consecuencia, grandes nubes de partículas y el calor se escape desde el plasma en cada ELM, que impone limitaciones significativas en los componentes de la cámara de vacío.

Modo L no se quede fuera, con inestabilidades en el centro llamado diente de sierra (discontinua curva verde en el centro): la temperatura del núcleo se colapsa bruscamente cuando se alcanza un límite, antes de levantarse gradualmente hasta los próximos diente de sierra que se produce el fenómeno. Sin embargo, sabemos ahora evitamos dientes de sierra después de numerosos estudios teóricos y experimentales, que trabajan en las áreas de los parámetros del plasma (actual, el campo magnético, la energía adicional), donde el fenómeno que no se dispara. Esto sin embargo no es el caso para la ELM de modo H: identificación de los mecanismos que conducen a este fenómeno es un área de investigación muy activa.

Otros modos de confinamiento mejorados

Además del modo H, hay otros modos de confinamiento mejoradas, y vimos todo en los finales de los 90 el aumento de los llamados "escenarios tokamak avanzada", en la que se consigue el rendimiento a través de un control muy delicados perfiles actuales y campo eléctrico en la descarga, generando barreras de transporte interno (o ITB para barreras de transporte interno en Inglés) en una zona situada más en el interior de la descarga en el caso del modo H, como se visto en el diagrama anterior. Estos escenarios, prometedores pero difíciles de implementar debido al efecto de retroalimentación sobre el perfil actual, se encuentran todavía en la fase exploratoria.

Tore Supra, otros modos de confinamiento mejorado que implica barreras de transporte interno se exploran, como se muestra en la curva-cons anteriores. Se obtienen utilizando escenarios de calentamiento específicos, el efecto estabilizador en el plasma disminuye fenómenos de transporte. tiempo de confinamiento de este modo se puede aumentar en un factor de 2 en comparación con el modo L (véase el parámetro H, lo que refleja una contención mejorada en comparación con el modo L). por ejemplo, tenemos los modos LHEP (por Bajo Rendimiento mejorado híbrido) obtenidos con calefacción a la frecuencia híbrida y otros modos obtenidos con calefacción a la frecuencia de ciclotrón de iones, que se utiliza en la guía ICRH (Ion ciclotrón de resonancia de calefacción) o FWEH (para Fast onda electrónica de calefacción).

En otras máquinas como Textor en Alemania, otro método de contención, el modo de RI (por radiación mejorada), se obtuvo mediante la inyección bien elegido en impurezas de plasma, para tomar ventaja de otro efecto estabilizador (costura densidad). Se logra un rendimiento cercano al de la modalidad de H, mientras que tiene la ventaja de reducir la carga de calor en el plasma frente a los componentes.