Questa tesi è dedicata allo studio sperimentale della riconnessione magnetica e ai fenomeni correlati che si verificano nei plasmi generati da RFX-od, una macchina sperimentale molto flessibile per lo studio del confinamento magnetico dei plasmi per la fusione termonucleare. La riconnessione magnetica consiste in un riarrangiamento della topologia del campo magnetico, che determina una conversione di energia magnetica in calore e energia cinetica di particelle cariche. Essa si verifica ovunque nell’universo, essendo osservata nell’evoluzione dei brillamenti solari, nella interazione del vento solare con la magnetosfera della Terra e nei dischi di accrescimento delle stelle. La riconnessione magnetica avviene anche nei plasmi di laboratorio, specialmente nei processi di auto-organizzazione che si verificano nei plasma da fusione. In quest’ultimi, gli eventi di riconnessione magnetica sono particolarmente evidenti durante le attività sawtooth dei tokamak e negli eventi di rilassamento discreti (DRE) nei reversed field pinch (RFP) e sono coinvolti nella formazione di isole magnetiche associate alle instabilità ‘tearing’. Durante questi processi si verifica un cambiamento topologico delle linee del campo magnetico, che porta a nuove configurazioni di equilibrio di energia magnetica inferiore. Una comprensione completa e dettagliata della riconnessione magnetica è ancora mancante. Tale fenomeno rappresenta un importante argomento da studiare per una migliore comprensione di una grande varietà di fenomeni astrofisici e di laboratorio. Il lavoro di analisi presentato in questa tesi è principalmente basato sull’analisi dei dati sperimentali di RFX-mod, provenienti da sistemi di sonde elettrostatiche e magnetiche, posizionate all’interno della camera da vuoto. Le analisi sperimentali sono state affiancate anche da attività di modellizazione teorica. L’attività complessiva può essere divisa in due parti principali: nella prima è stata svolta una caratterizzazione dei fenomeni di riconnessione nei plasmi in configurazione RFP; la seconda è dedicata allo studio della rotazione delle isole magnetiche in scariche tokamak circolari. La caratterizzazione della riconnessione magnetica è stata effettuata analizzando i DRE in scariche RFP. Durante questi fenomeni, la perturbazione magnetica determina la formazione di modi toroidalmente localizzati m = 0, associati alla formazione di strutture di corrente poloidale. L’analisi ha dimostrato che queste strutture sono naturalmente soggette a frammentazione, la quale determina a sua volta una struttura di campo elettrico multi-scala che, come mostrato in letteratura, è in grado di accelerare efficacemente le particelle cariche. In effetti, è stata osservata l’accelerazione di ioni sovra-termici, particolarmente evidenti nelle posizioni in cui si verifica la riconnessione magnetica, durante gli eventi discreti di rilassamento. Tali particelle hanno energia abbastanza alta da indurre una reattività da fusione, come dimostrano gli andamenti temporali dei flussi neutronici. Queste evidenze sperimentali dimostrano che la riconnessione magnetica può contribuire in modo efficace al riscaldamento del plasma nei dispositivi RFP. La seconda attività di ricerca principale è stata dedicata all’analisi della dinamica dei modi tearing nei plasmi di RFX-mod in configurazione tokamak. Tali modi tearing sono instabilità resistive, che si sviluppano sia nei plasmi tokamak che in quelli RFP. In presenza di resistività, le linee di campo possono rompersi e riconnettere, determinando un cambiamento nella topologia magnetica. La configurazione magnetica risultante è caratterizzata dalla presenza di isole magnetiche che, a loro volta, favoriscono il trasporto radiale di particelle e la riduzione del confinamento magnetico. I modi tearing costituiscono quindi un problema per il confinamento magnetico e la loro caratterizzazione è importante per poter proporre metodi di controllo al fine di migliorare le prestazioni del confinamento. Lo studio delle scariche tokamak ha incluso sia l’analisi dei dati sperimentali che una modellazione teorica della rotazione dei modi tearing basata sulle equazioni MHD a due fluidi. Il confronto dei risultati sperimentali con le previsioni del modello teorico ha mostrato che la rotazione delle isole magnetiche nei plasmi tokamak di RFX-mod è guidata principalmente dalla deriva diamagnetica. La variazione di quest’ultima può determinare, associate ad una modifica dei profili di pressione, al rallentamento della rotazione di tali modi, un fenomeno talvolta associato alla crescita delle instabilità e che può portare alla disruzione. Infine, è stata osservata una caratteristica oscillazione quasi-ciclica di ampiezza e frequenza dei modi tearing, chiamata ‘ciclo limite’. Questo comportamento è dimostrato essere accoppiato alla cosiddetta attività ‘sawtooth’ che si verifica nella regione centrale del plasma.

Magnetic reconnection in fusion plasmas

Cordaro L.
In corso di stampa

Abstract

Questa tesi è dedicata allo studio sperimentale della riconnessione magnetica e ai fenomeni correlati che si verificano nei plasmi generati da RFX-od, una macchina sperimentale molto flessibile per lo studio del confinamento magnetico dei plasmi per la fusione termonucleare. La riconnessione magnetica consiste in un riarrangiamento della topologia del campo magnetico, che determina una conversione di energia magnetica in calore e energia cinetica di particelle cariche. Essa si verifica ovunque nell’universo, essendo osservata nell’evoluzione dei brillamenti solari, nella interazione del vento solare con la magnetosfera della Terra e nei dischi di accrescimento delle stelle. La riconnessione magnetica avviene anche nei plasmi di laboratorio, specialmente nei processi di auto-organizzazione che si verificano nei plasma da fusione. In quest’ultimi, gli eventi di riconnessione magnetica sono particolarmente evidenti durante le attività sawtooth dei tokamak e negli eventi di rilassamento discreti (DRE) nei reversed field pinch (RFP) e sono coinvolti nella formazione di isole magnetiche associate alle instabilità ‘tearing’. Durante questi processi si verifica un cambiamento topologico delle linee del campo magnetico, che porta a nuove configurazioni di equilibrio di energia magnetica inferiore. Una comprensione completa e dettagliata della riconnessione magnetica è ancora mancante. Tale fenomeno rappresenta un importante argomento da studiare per una migliore comprensione di una grande varietà di fenomeni astrofisici e di laboratorio. Il lavoro di analisi presentato in questa tesi è principalmente basato sull’analisi dei dati sperimentali di RFX-mod, provenienti da sistemi di sonde elettrostatiche e magnetiche, posizionate all’interno della camera da vuoto. Le analisi sperimentali sono state affiancate anche da attività di modellizazione teorica. L’attività complessiva può essere divisa in due parti principali: nella prima è stata svolta una caratterizzazione dei fenomeni di riconnessione nei plasmi in configurazione RFP; la seconda è dedicata allo studio della rotazione delle isole magnetiche in scariche tokamak circolari. La caratterizzazione della riconnessione magnetica è stata effettuata analizzando i DRE in scariche RFP. Durante questi fenomeni, la perturbazione magnetica determina la formazione di modi toroidalmente localizzati m = 0, associati alla formazione di strutture di corrente poloidale. L’analisi ha dimostrato che queste strutture sono naturalmente soggette a frammentazione, la quale determina a sua volta una struttura di campo elettrico multi-scala che, come mostrato in letteratura, è in grado di accelerare efficacemente le particelle cariche. In effetti, è stata osservata l’accelerazione di ioni sovra-termici, particolarmente evidenti nelle posizioni in cui si verifica la riconnessione magnetica, durante gli eventi discreti di rilassamento. Tali particelle hanno energia abbastanza alta da indurre una reattività da fusione, come dimostrano gli andamenti temporali dei flussi neutronici. Queste evidenze sperimentali dimostrano che la riconnessione magnetica può contribuire in modo efficace al riscaldamento del plasma nei dispositivi RFP. La seconda attività di ricerca principale è stata dedicata all’analisi della dinamica dei modi tearing nei plasmi di RFX-mod in configurazione tokamak. Tali modi tearing sono instabilità resistive, che si sviluppano sia nei plasmi tokamak che in quelli RFP. In presenza di resistività, le linee di campo possono rompersi e riconnettere, determinando un cambiamento nella topologia magnetica. La configurazione magnetica risultante è caratterizzata dalla presenza di isole magnetiche che, a loro volta, favoriscono il trasporto radiale di particelle e la riduzione del confinamento magnetico. I modi tearing costituiscono quindi un problema per il confinamento magnetico e la loro caratterizzazione è importante per poter proporre metodi di controllo al fine di migliorare le prestazioni del confinamento. Lo studio delle scariche tokamak ha incluso sia l’analisi dei dati sperimentali che una modellazione teorica della rotazione dei modi tearing basata sulle equazioni MHD a due fluidi. Il confronto dei risultati sperimentali con le previsioni del modello teorico ha mostrato che la rotazione delle isole magnetiche nei plasmi tokamak di RFX-mod è guidata principalmente dalla deriva diamagnetica. La variazione di quest’ultima può determinare, associate ad una modifica dei profili di pressione, al rallentamento della rotazione di tali modi, un fenomeno talvolta associato alla crescita delle instabilità e che può portare alla disruzione. Infine, è stata osservata una caratteristica oscillazione quasi-ciclica di ampiezza e frequenza dei modi tearing, chiamata ‘ciclo limite’. Questo comportamento è dimostrato essere accoppiato alla cosiddetta attività ‘sawtooth’ che si verifica nella regione centrale del plasma.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11577/3254477
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