Modelli multi-fisici per lUITS FOR QUANTUM SYSTEMS IN

Modelli multi-fisici per l’interazione plasma-parete nei dispositivi a fusione
L.Barbato1, F.Villone1,2
(1)
CREATE, via Claudio 21, Napoli, Italia
DIEI, Università di Cassino, via di Blasio 43, Cassino (FR), Italia
(2)
Parole chiave: Fusione nucleare a confinamento magnetico, Interazione plasma-parete,
Correnti parassite
La fusione nucleare è sicuramente una delle sfide tecnologiche più ambiziose per la comunità
scientifica, in quanto promette la produzione dell’energia elettrica su larga scala da fonte
pressoché inesauribile, in piena sintonia con una sempre più sentita e necessaria sostenibilità
ambientale. Ad oggi sono diverse le tecnologie candidate alla realizzazione della fusione, e tra
queste, quelle a confinamento magnetico sono sicuramente le più investigate, dato il
relativamente semplice concetto di base sul quale si fondano: intensi campi magnetici
confinano all’interno di un reattore il gas ionizzato (plasma), mantenuto ad elevatissime
temperature per realizzare le reazioni di fusione nucleare, impedendo di fatto il contatto fisico
con le pareti del reattore. Tuttavia, nella realtà, il plasma diffonde all’infuori della "gabbia
magnetica" interagendo fisicamente con le pareti del reattore. Diversi sono i fenomeni
coinvolti nell’interazione plasma-parete, la quale si rivela prevalentemente con scambi di
massa (particelle cariche e neutre) ed energia (radiazioni ed energia trasportata dalle
particelle), manifestandosi in ogni condizione operativa, ordinaria e non, di un dispositivo a
fusione. Condizioni operative non-ordinarie, legate a particolari evoluzioni del plasma indotte
da instabilità interne o esterne, sono particolarmente interessanti da analizzare, in quanto
determinano intensi scambi di particelle ed energia tra plasma e parete, con possibile
danneggiamento dello stesso reattore. Un esempio, sono le disrupzioni, instabilità duranti le
quali il plasma perde la iniziale posizione di equilibrio e urta le pareti del reattore. Ne risulta
una diretta interazione con intenso scambio di particelle che dal plasma fluiscono verso la
prima parete producendo intense correnti, definite di alone, le quali, a loro volta, possono
indurre nella parete notevoli stress termici e meccanici, con conseguente deformazione
meccanica della stessa. In condizioni disruptive, anche lo scambio di energia termica può
essere molto intenso, con possibili conseguenze dannose come la fusione dei componenti
della parti della parete venuti a contatto con il plasma.
Da queste brevi considerazioni focalizzate prevalentemente su un singolo aspetto della
interazione plasma parete, è evidente come questa assume una notevole importanza nelle fasi
di progettazioni ed esercizio di un reattore a fusione nucleare a confinamento magnetico.
Il presente contributo è incentrato prevalentemente sulla analisi delle interazioni plasmaparete durante eventi disruptivi, precedentemente illustrati, focalizzando l’attenzione sulle
correnti parassite indotte nelle strutture conduttive che circondano la regione del plasma.
Il modello per l’analisi delle correnti parassite nelle strutture di un dispositivo a confinamento
magnetico del plasma fusionistico può essere scritto come in [1]:
(1)
+ + + Φ
= in cui l’incognita (vettore delle correnti parassite) è legato al contributo della corrente di
plasma definito dai termini (corrente equivalente di plasma) e Φ
(flusso toroidale
della corrente di plasma).
Eventi instabili nella corrente di plasma possono creare condizioni di perdita di controllo della
posizione del plasma e conseguente movimento (verticale) del plasma e urto con la parete.
Dal punto di vista elettromagnetico, l’interazione plasma parete che ne risulta genera correnti,
dette di alone, che dal plasma fluiscono verso la parete del reattore. In tali condizioni, il
modello delle correnti parassite precedentemente illustrato deve essere completato
considerando il contributo delle correnti di alone, diventando [2]:
+ − + − + (2)
+ ! = 0
in cui l’incognita (correnti parassite) è legato oltre che alla corrente di plasma anche alle
correnti di alone, rappresentate da , vettore delle correnti impresse nella parete del reattore.
Il modello è stato applicato a diversi dispositivi fusionistici a confinamento magnetico quali,
ad esempio, DEMO [3] ed IGNITOR [4]. Nella Fig.1 è riportata la distribuzione delle correnti
parassite indotte nelle strutture conduttrici del reattore DEMO a seguito di uno spostamento
verticale del plasma indotto da un evento disruttivo.
Fig. 1. Correnti di alone (verdi) circolanti nelle strutture tridimensionali del tokamak DEMO
Bibliografia
[1] F. Villone et al, "Coupling of Nonlinear Axisymmetric Plasma Evolution with ThreeDimensional Volumetric Conductors", Plasma Physics and Controlled Fusion 55 095088
(2013)
[2] R. Albanese et al., "Effects of asymmetric vertical disruptions on ITER componentsR",
Fusion Engineering and Design 94 (2015) 7–21
[3] G. Ramogida et al, “First Disruption Studies and Simulations in View of the Development
of the DEMO Physics Basics”, Fusion Engineering and Design, 96-97 (2015) 348-352
[4] F. Villone et al.," Electromagnetic disruption analysis in IGNITOR", Fusion Engineering
and Design 93 (2015) 57–68