Responsable: CESAR ROMEO GUTIERREZ TAPIA

Objetivos:

1) Determinar la infuencia de la fuerza ponderomotriz en la eficiencia de la generación de corriente por ondas ciclotrónicas de los electrones, en un tokamak axisimétrico;

2) Estudiar el proceso de evaporación en la ablación de grafito para formar películas delgadas de carbono;

3) Modelación numérica de la ablación láser como un problema de Stefan de dos fases, utilizando el método de diferencias finitas. Estudiar la expansión de la pluma de plasma por el método de Crank-Nicolson.

Antecedentes:

En la mayoría de los tokamaks (aparatos de confinamiento magnético de forma toroidal) 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 y se induce un campo eléctrico variando el flujo magnético a través del toroide. 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, lo 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 de un 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 ponderomotriz, la cual 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 ponderomotriz 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 ponderomotriz 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, lo cual 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, 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).

El estudio de la interacción de radiación láser con superficies sólidas inició desde 1962, cuando fue analizado el espectro de emisión de material vaporizado por pulsos láser^[9]. La ablación fue poco investigada inicialmente, debido a su tendencia a depositar de forma poco homogénea y con presencia de cúmulos. En principio, la ablación láser es una técnica extremadamente simple, la cual usa pulsos de energía láser para remover material de la superficie de un blanco^[10]. El material vaporizado forma un plasma que se expande rápidamente alejándose de la superficie del blanco con una velocidad del orden de 1E06 cm/s. El crecimiento de la película ocurre sobre un sustrato sobre el cual algo del material de la pluma se deposita. Los procesos fundamentales que ocurren dentro de los plasmas producidos en la ablación láser no están completamente estudiados, por lo que el depósito de materiales nuevos, involucra un periodo de optimización empírica de los parámetros del plasma. La ablación láser de una sustancia sólida involucra un fenómeno térmico complejo que incluye un calentamiento rápido, un cambio de fase fuera de equilibrio y una nucleación rápida en un líquido sobrecalentado. Existen dos fronteras de coexistencia de las fases del líquido: la binodal y la espinodal. La binodal es la isobara del vapor saturado. La espinodal determina la frontera de existencia de la fase en su variación continua y en el caso de un sistema fluido de una componente, se determina mediante la igualdad a cero de los coeficientes isodinámicos de estabilidad. Entre la binodal y la espinodal se encuentra la región de líquido metaestable (sobrecalentado) el cual posee energía libre excedente. Esta fase metaestable, con el surgimiento de una pequeña cantidad de fase vapor se transforma de forma explosiva en un estado líquido-vapor. Esta transformación es explosiva ya que ocurre con una gran velocidad, con una gran expulsión de energía y con la formación grande de vapor^[11].

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).

[9] A. Fukuyama et al., Computer Phys. Report, 4, 137 (1986).

[10] D. Bauerle, Laser Processing and Chemistry, Springer-Verlag, New York (2000).

[11] R. K. Singh and J. Narayan, Phys. Rev., B 41, 8843 (1990).

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 que 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.

Los resultados han sido publicados en revistas especializadas y están contribuyendo a las investigaciones que a nivel internacional se realizan en estos temas.

Logros Obtenidos:

Publicaciones

a)     M. Gryaznevich, G. Van Oost, P. Peleman, J. Brotankova, R. Dejarnac, E. Dufkova, I. Duran, M. Hron, J. Sentkerestiova, J. Stockel, V. Weinzettl, J. Zajac, L.A. Berni, E. Del Bosco, J.G. Ferreira, F.J.R. Simoes, M. Berta, D. Dunai, B. Tal, S. Zoletnik, A. Malaquias, G. Mank, H. Figueiredo, Y. Kuznetsov, L. Ruchko, H. Hegazy, A. Ovsyannikov, E. Sukhov, G.M. Vorobjev, N. Dreval, A. Singh, V. Budaev, G. Kirnev, N. Kirneva, B. Kuteev, A. Melnikov, D. Nurov, M. Sokolov, V. Vershkov, A. Talebitaher, P. Khorshid, R. Gonzales, I. El Chama Neto, A.W. Kraemer-Flecken, V. Soldatov, B. Brotas, P. Carvalho, R. Coelho, A. Duarte, H. Fernandes, J. Figueiredo, A. Fonseca, R. Gomes, I. Nedzelski, A. Neto, G. Ramos, J. Santos, C. Silva, D. Valcarcel, C.R. Gutierrez Tapia, L.I. Krupnik, L. Petrov, M. Kolokoltsov, J. Herrera, M. Nieto-Perez, A. Czarnecka, P. Balan, A. Sharnin and V. Pavlov, “Results of Joint Experiments and other IAEA activities on research using small tokamaks”, Nuclear Fusion, 49, 104026 (2009).

Presentaciones en congresos

a)     J. J. Martinell, D. López-Bruna, F. Castejón, V.I. Vargas, C. Gutiérrez-Tapia and A. Ortiz-Tapia, “Radial Electric Field Computations in TJ-II and Comparison with HIBP Measurements”, 36th European Physical Society Conference on Plasma Physics, Sofia, Bulgaria, Junio 29-Julio 2, 2009.

b)     C. Gutiérrez Tapia y O. Hernández Aguirre, “Interacción Ciclotrónica de Partículas Energizadas con el Rizo de un Campo Toroidal”, LII Congreso Nacional de Física, Acapulco, Gro. Octubre 26-30, 2009.

c)      J.J. Martinell, D. López Bruna, F. Castejón, I. Vargas, C. Gutiérrez Tapia y A. Ortíz, “Colaboración con el Stellarator TJ-II del CIEMAT de España”, Mini-plenaria en la sesión de Física de Plasmas II, LII Congreso Nacional de Física, Acapulco, Gro. Octubre 26-30, 2009.

d)     C. Gutiérrez Tapia y P. Tolentino Eslava, “Evaporación de un Blanco de Grafito por Pulsos Láser Cortos”, en la sesión Física de Plasmas II, LII Congreso Nacional de Física, Acapulco, Gro. Octubre 26-30, 2009.

e)     C. Gutiérrez Tapia, J. Martinell y M. Villagrán, “Sobre el Carácter Interdisciplinario de la Ciencia de Plasmas”, Mesa Redonda, en la sesión Física de Plasmas II, LII Congreso Nacional de Física, Acapulco, Gro. Octubre 26-30, 2009.

Aplicaciones:

Los resultados obtenidos serán de utilidad dentro del proyecto internacional de construcción del reactor de fusión termonuclear controlada, dada la colaboración que se tiene con el Laboratorio de Fusión del CIEMAT de Madrid, España, con el Instituto Kurchatov de Rusia y con la Universidad de Delhi, India (proyecto de colaboración México-India de Conacyt, I0110/127/08 Mod. Ord. 38/08).

Vinculación:

Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), Madrid, España.

Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM, México.

Universidad de Delhi, India.