Responsable: CESAR ROMEO GUTIERREZ TAPIA

Objetivos:

1) Analizar la influencia de la fuerza ponderomotriz en la eficiencia de la generación de corriente por ondas ciclotrónicas de los electrones en un tokamak axisimétrico;

2) Estudiar la influencia del campo eléctrico radial, en presencia de calentamiento ciclotrónico de los electrones, en el transporte de un estelerador utilizando el código ASTRA;

3) Investigar en detalle la posibilidad de crear una barrera al transporte de plasmas confinados por medio del manejo de la fuerza ponderomotriz inducida por campos de RF, primero con estudios analíticos y posteriormente usando cálculos numéricos;

4) Estudiar el proceso de evaporación en la ablación de grafito para formar películas delgadas de carbono.

Antecedentes:

En la mayoría de los tokamaks actuales con calentamiento óhmico, la corriente toroidal producida por el campo poloidal se genera por medio de un campo eléctrico toroidal [1]. Este campo eléctrico se induce variando la corriente en las bobinas. Así, variando el flujo magnético a través del toroide se induce un campo eléctrico. Como el flujo magnético inducido de esta forma es finito, el campo eléctrico puede ser inducido por un tiempo finito por lo que se obtiene un sistema pulsado. Sin embargo, esto no es conveniente por los esfuerzos generados en los diferentes componentes de la estructura de los tokamaks. Para evitar este problema, lo más conveniente es alcanzar un régimen estacionario de trabajo [1,2]. La característica más vulnerable de un tokamak es su operación pulsada, obtenida por el uso de un campo eléctrico inducido para producir el confinamiento del plasma. La necesidad de pausas necesarias para invertir el inductor de magnetización durante la operación del tokamak, conduce a algunas consecuencias extremamente indeseables. La más peligrosa es el inicio de oscilaciones cíclicas de temperatura de la primera etapa del tokamak, el cual reduce drásticamente el tiempo de vida de éste. El peligro yace también en los esfuerzos aplicados a los elementos del tokamak por la variación de los campos magnéticos poloidal y radial. Esto ha propiciado una gran cantidad de investigaciones teóricas y experimentales para optimizar el mantenimiento de la corriente en el tokamak por métodos no inductivos de la corriente de plasma.

Dada la importancia de la obtención del régimen de trabajo cuasi estacionario de los tokamaks, la generación de corriente por ondas EC para obtener un reactor operando en forma continua es el objeto de un gran número de análisis teóricos y computacionales, así como de un constante desarrollo en la tecnología para generar fuentes de radiación más potentes [3]. Los avances tecnológicos de las fuentes de ondas EC [4, 5] así como la importancia de los tokamaks en la construcción del reactor termonuclear ameritan un análisis más detallado de la generación de corrientes por EC. Cuando se tienen potencias de varios MW, los procesos no lineales son muy importantes [6]. En el régimen no lineal, es necesario introducir términos de más alto orden con respecto a la intensidad de campo eléctrico en la ecuación material que determina la reacción del medio. Uno de los efectos más importantes que surgen en este intervalo de potencias es la fuerza ponderomotríz, la cual es una fuerza que es proporcional al cuadrado de la amplitud del campo eléctrico [7, 8]. Esta fuerza se origina en estado estacionario por la absorción del momento de la onda y por las hetereogeneidades de la amplitud de las ondas de radiofrecuencia. En ausencia de campo magnético o cuando se tiene un campo magnético uniforme, el mecanismo a través de la fuerza ponderomotríz no produce una corriente, ya que los electrones alcanzan a redistribuirse en un tiempo de difusión lo cual se compensa en todo el toroide y no surge la corriente. Por lo anterior, es necesario que la fuerza ponderomotríz actúe de manera asimétrica en las partículas del plasma, lo cual es natural para la fuerza ya que en general es proporcional a un gradiente del campo eléctrico al cuadrado y depende de la masa de las partículas.

Uno de los problemas más importantes que subsisten en la investigación sobre cómo construir un reactor de fusión termonuclear es el confinamiento de la energía que se introduce  en el plasma, o que se genera internamente. El problema consiste en que la energía se pierde muy rápidamente, principalmente por procesos turbulentos de transporte, y esto evita que se tengan suficientes reacciones de fusión nuclear. Un gran paso en el mejoramiento del confinamiento se logró en el año 1982 cuando se encontró experimentalmente un modo de operación de los tokamaks (aparatos de confinamiento magnético de forma toroidal) que reducía considerablemente el transporte, al que se le llamó modo H. Pocos años después se identificó que el transporte reducido era causado por una barrera de transporte cerca del borde del plasma, producida por un flujo cizallado (o flujo cortante). Desde entonces se han encontrado otros tipos de barreras de transporte, no sólo en el borde sino también en el interior del plasma, y no necesariamente asociadas a flujos cizallados, sino a regiones de cizallamiento magnético invertido (RMS).

Referencias

[1] D. J. H. Wort, Plasma Phys., 15, 1031 (1971).

[2] T. Ohkawa, Nucl. Fusion, 10, 185 (1970).

[3] R. Prater, Phys. Plasmas, 11, 2349 (2004).

[4] A. Kasusai, B. Pioszuk and A. G. Litvak, 20-th IAEA Fusion Conference, Vilamura, Portugal, 1-6 November, 2004.

[5] O. Dumbrajs, J. A. Heikkenen, and H. Zohm, Nucl. Fusion, 41, 927 (2001).

[6] A. G. Litvak Ed., High-frequency Plasma Heating (AIP press, New York, 1992), 239.

[7] R. Klima, Czech. J. Phys. B, 30, 1280 (1968).

[8] C. Gutiérrez-Tapia, Rev. Mex. Física, 45, 322 (1999^).

Beneficios:

La era de las fuentes de energía de origen fósil está llegando a su fin y las fuentes alternas desarrolladas actualmente no serían suficientes para sustituirlas, si se mantiene el ritmo de crecimiento demográfico y el ritmo de consumo energético actual.  En este caso, la fusión termonuclear controlada sería una solución viable a largo plazo a este problema. Uno de los problemas más importantes en el confinamiento magnético de los plasmas de fusión, es el confinamiento de la energía que se introduce al plasma, o se produce internamente. El problema consiste en que la energía se pierde muy rápidamente por el transporte turbulento y esto evita que se tengan suficientes reacciones de fusión durante los tiempos de confinamiento que actualmente se logran. En el proyecto se estudian los mecanismos para controlar el transporte turbulento a través de la formación de barreras de transporte (rotación de la columna de plasma) por la inyección de ondas de radiofrecuencia. Los resultados obtenidos son útiles en el proyecto internacional de construcción del reactor de fusión termonuclear controlada. Se tiene colaboración internacional formal con el Laboratorio de Fusión del CIEMAT de Madrid, España y con el Instituto Kurchatov de Rusia.

Logros Obtenidos:

En las investigaciones sobre fusión nuclear, para los dispositivos de confinamiento magnético tales como los estelaradores y tokamaks, es de primera importancia el confinamiento de las partículas y la energía. Esto se logra mediante la optimización de la estructura del campo magnético o mediante el control del transporte tanto de las partículas como de la energía. En este proyecto se estudió la forma de control del transporte de partículas por medio de un campo eléctrico radial que se forma en por efectos de ambipolaridad en el calentamiento por radiofrecuencia o por haces de iones pesados. El campo eléctrico radial también se obtiene por simulaciones numéricas usando el código ASTRA. Se analizaron básicamente tres problemas: el trabajo de los tokamaks en régimen cuasi estacionario mediante a inyección de ondas de radiofrecuecia, el mejoramiento del confinamiento de partículas mediante un campo eléctrico radial y el surgimiento de barreras de transporte por flujos cortantes de partículas en el borde del plasma.

Publicaciones:

D. López-Bruna, J. M. Reynolds, Á. Cappa, J. Martinell, J. García, y C. Gutiérrez-Tapia, "Programas periféricos de ASTRA para el TJ-II", Informes Técnicos CIEMAT 1201, Madrid, España, Marzo 2010, ISSN 1135-9420

Capítulo en libro:

César Gutiérrez Tapia y Héctor Flores Llamas, “Problemas inversos, métodos de regularización y la función de distribución de energías de los electrones”, capítulo 33 del libro “Contribuciones del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares al avance de la ciencia y tecnología en México”, editado por el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, pág. 33, diciembre de 2010.

Presentaciones en congresos:

César Gutiérrez Tapia, Julio. J. Martinell y Daniel López Bruna, “El campo eléctrico radial y los coeficientes de transporte en el estelerador TJ-II”, Taller Bienal 2010, División de Física de Plasmas, Sociedad Mexicana de Física, México D. F., 22-24 de septiembre de 2010.

Formación de recursos humanos:

1. Mónica Beltrán Plata, Instituto de Física, Universidad de Guanajuato, realiza tesis de doctorado.

2. Pedro Tolentino Eslava, UAEMex, Ciencia de Materiales, realiza tesis de doctorado.

Vinculación:

Universidad de Delhi, India; Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM; Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), Madrid, España, e Instituto Kurchatov, Rusia.