Eccitazione delle onde di Alfvén in plasmi toroidali da fusione

Nuclear fusion reactions are among the most important processes in the Universe, representing the phenomenon that allows the stars to shine and a source of energy potentially inexhaustible for humanity. The primary aim of the research on nuclear fusion is to obtain a new energy source to help satisfying a growing and sustainable consumption. The attempt to harvest the energy obtained from fusion reactions has led to the study of the confining technique of plasmas called magnetic confinement, which exploits the tendency of charged particles to follow the lines of the magnetic field. A large part of technological and scientific efforts are focused on obtaining controlled nuclear fusion plasmas in toroidal configurations such as tokamak, stellarator and reversed-field pinch (RFP), with the plasmas consisting of deuterium and tritium ions. The research activity of my PhD focused on the study of the 3D nonlinear magnetohydrodynamics model applied to the numerical study of the Alfvén waves in Tokamak and RFP configurations. The main aim of my research was the characterization and interpretation of Alfvén waves spectra and their excitation mechanism based on periodic magnetic reconnection events in Tokamak and RFP configurations. This was achieved after a thorough analysis of simpler cases, which provide renewed occasion for numerical code benchmarking. The main results obtained during my PhD were the prediction by nonlinear MHD simulations of excitation of Alvén eigenmodes related to the magnetic reconnection events, togheter with a possible explanation of the physical origin of the experimentally observed Alfvén waves during Ohmic discharges in a number of present day Tokamak and RFP experiments. A possible theoretical identification as Alfvén eigenmodes of the coherent peaks experimentally observed in the power spectrum of the magnetic fluctuations at the plasma edge of RFX-mod, the biggest RFP experiment in the world, located in Padova, was achieved as well. My PhD research activity and results can be divided into four main areas. A preliminary analytical calculation of dispersion relations of Alfvén waves in cylindrical geometry employing the ideal MHD model, both in uniform and non-uniform plasmas, were computed. All the theoretical formulas thus obtained were used in the following research activity to compute the theoretically expected frequency spectra for the different mean-field configurations and compare them with the numerical spectra from nonlinear MHD simulations. The first area of research consisted in dynamics simulation of a magnetically confined plasma in Tokamak and RFP configurations through numerical solution of the 3D nonlinear visco-resistive MHD model. The second area dealt with classification of Alfvén waves spectra for different single Fourier mode (single wave) simulations. The third area of research focused on the study of Alfvén waves excitation resulting from quasi-periodic sawtooth relaxation events in Tokamak plasmas. The fourth area covered the study of Alfvén waves excitation by periodic relaxations events in bewteen Quasi-Single Helicity (QSH) states, and the comparison of results obtained with experimental observation in RFX-mod.

Le reazioni di fusione nucleare sono tra i processi più importanti dell'Universo, rappresentano il fenomeno che permette alle stelle di brillare e una fonte di energia potenzialmente inesauribile per l'umanità. Lo scopo principale della ricerca sulla fusione nucleare è quello di ottenere una nuova fonte di energia per contribuire a soddisfare un consumo crescente e sostenibile. Il tentativo di raccogliere l'energia ottenuta dalle reazioni di fusione ha portato allo studio della tecnica di confinamento dei plasmi chiamata confinamento magnetico, che sfrutta la tendenza delle particelle cariche a seguire le linee del campo magnetico. Gran parte degli sforzi tecnologici e scientifici sono concentrati sull'ottenimento di plasmi da fusione nucleare controllati in configurazioni toroidali come tokamak, stellarator e reversed-field pinch (RFP), con i plasmi composti da ioni di deuterio e trizio. L'attività di ricerca del mio dottorato si è concentrata sullo studio del modello di magnetoidrodinamica non lineare 3D applicato allo studio numerico delle onde di Alfvén nelle configurazioni Tokamak e RFP. L'obiettivo principale della mia ricerca era la caratterizzazione e l'interpretazione degli spettri delle onde di Alfvén e del loro meccanismo di eccitazione basato su eventi periodici di riconnessione magnetica nelle configurazioni Tokamak e RFP. Questo è stato raggiunto dopo un'analisi approfondita di casi più semplici, che forniscono una nuova occasione per la verifica e benchmark del codice numerico. I principali risultati ottenuti durante il mio dottorato sono stati la previsione tramite simulazioni MHD non lineari dell'eccitazione degli auto-modi di Alvén relativi agli eventi di riconnessione magnetica, insieme a una possibile spiegazione dell'origine fisica delle onde Alfvén osservate sperimentalmente durante le scariche ohmiche in diversi esperimenti Tokamak e RFP attuali. È stata anche proposta una possibile identificazione teorica come auto-modi Alfvénici dei picchi coerenti osservati sperimentalmente nello spettro di potenza delle fluttuazioni magnetiche al bordo del plasma di RFX-mod, il più grande esperimento RFP del mondo, situato a Padova. La mia attività di ricerca di dottorato e i risultati possono essere divisi in quattro aree principali. Preliminarmente, sono stati eseguiti calcoli analitici delle relazioni di dispersione delle onde Alfvén in geometria cilindrica utilizzando il modello MHD ideale, sia in plasmi uniformi che non uniformi. Tutte le formule teoriche così ottenute sono state utilizzate nella seguente attività di ricerca per calcolare gli spettri di frequenza teoricamente attesi per le diverse configurazioni di campo magnetico e confrontarli con gli spettri numerici dalle simulazioni MHD non lineari. La prima area di ricerca consisteva nella simulazione dinamica di un plasma confinato magneticamente in configurazioni Tokamak e RFP attraverso la soluzione numerica del modello 3D MHD visco-resistivo non lineare. La seconda area si è occupata della classificazione degli spettri delle onde Alfvén per diverse simulazioni di modo singolo di Fourier (onda singola). La terza area di ricerca si è concentrata sullo studio dell'eccitazione delle onde Alfvén risultanti da eventi quasi-periodici di rilassamento a dente di sega nei plasmi Tokamak. La quarta area ha riguardato lo studio dell'eccitazione delle onde di Alfvén da eventi di rilassamento periodici in stati di quasi-singola elicità (QSH), e il confronto dei risultati ottenuti con le osservazioni sperimentali in RFX-mod.