Un diente de sierra es una relajación que se observa comúnmente en el núcleo de los plasmas tokamak , reportada por primera vez en 1974. [1] Las relajaciones ocurren casi periódicamente y causan una caída repentina en la temperatura y densidad en el centro del plasma. Una cámara estenopeica de rayos X suaves apuntada hacia el núcleo del plasma durante la actividad de dientes de sierra producirá una señal similar a un diente de sierra . Los dientes de sierra limitan efectivamente la amplitud de la densidad de corriente central. El modelo Kadomtsev de dientes de sierra es un ejemplo clásico de reconexión magnética . Otras oscilaciones de relajación repetidas que ocurren en tokamaks incluyen el modo localizado en el borde (ELM) que limita efectivamente el gradiente de presión en el borde del plasma y la inestabilidad de espina de pescado que limita efectivamente la densidad y presión de partículas rápidas.
Una descripción frecuentemente citada de la relajación en dientes de sierra es la de Kadomtsev. [2] El modelo de Kadomtsev utiliza una descripción magnetohidrodinámica resistiva (MHD) del plasma. Si la amplitud de la densidad de corriente en el núcleo del plasma es lo suficientemente alta como para que el factor de seguridad central esté por debajo de la unidad, un modo propio lineal será inestable, donde es el número de modo poloidal. Esta inestabilidad puede ser el modo de torcedura interna, el modo de torcedura interna resistiva o el modo de desgarro. [3] La función propia de cada una de estas inestabilidades es un desplazamiento rígido de la región dentro de . La amplitud del modo crecerá exponencialmente hasta que se sature, distorsionando significativamente los campos de equilibrio, y entre en la fase no lineal de evolución. En la evolución no lineal, el núcleo de plasma dentro de la superficie es impulsado hacia una capa de reconexión resistiva . A medida que se reconecta el flujo en el núcleo, crece una isla en el lado del núcleo opuesto a la capa de reconexión. La isla reemplaza al núcleo cuando este se ha reconectado por completo, de modo que el estado final tiene superficies de flujo anidadas cerradas y el centro de la isla es el nuevo eje magnético. En el estado final, el factor de seguridad es mayor que la unidad en todas partes. El proceso aplana los perfiles de temperatura y densidad en el núcleo.
Después de una relajación, los perfiles aplanados de temperatura y factor de seguridad alcanzan su pico nuevamente a medida que el núcleo se recalienta en la escala de tiempo de confinamiento de energía, y el factor de seguridad central cae nuevamente por debajo de la unidad a medida que la densidad de corriente se difunde resistivamente hacia el núcleo. De esta manera, la relajación en dientes de sierra ocurre repetidamente con un período promedio .
La imagen de Kadomtsev de los dientes de sierra en un modelo MHD resistivo fue muy exitosa en la descripción de muchas propiedades de los dientes de sierra en los primeros experimentos con tokamaks. Sin embargo, a medida que las mediciones se volvieron más precisas y los plasmas de los tokamaks se calentaron, aparecieron discrepancias. Una de ellas es que las relajaciones causaron una caída mucho más rápida en la temperatura del plasma central de los tokamaks calientes de lo que predijo la reconexión resistiva en el modelo de Kadomtsev. Las simulaciones numéricas que utilizaron ecuaciones de modelos más sofisticadas y el modelo de Wesson proporcionaron cierta información sobre los choques rápidos de los dientes de sierra. Otra discrepancia encontrada fue que se observó que el factor de seguridad central era significativamente menor que la unidad inmediatamente después de algunos choques de dientes de sierra. Dos explicaciones notables para esto son la reconexión incompleta [4] y la rápida reorganización del flujo inmediatamente después de una relajación. [5]
El modelo de Wesson ofrece una explicación de los choques rápidos en dientes de sierra en tokamaks calientes. [6] El modelo de Wesson describe una relajación en dientes de sierra basada en la evolución no lineal del modo de cuasi-intercambio (QI). La evolución no lineal del QI no implica mucha reconexión, por lo que no tiene escala de Sweet-Parker y el choque puede ocurrir mucho más rápido en plasmas de alta temperatura y baja resistividad dado un modelo MHD resistivo. Sin embargo, más tarde se desarrollaron métodos experimentales más precisos para medir perfiles en tokamaks. Se encontró que los perfiles durante las descargas en dientes de sierra no son necesariamente planos como lo requiere la descripción de Wesson del diente de sierra. Sin embargo, se han observado relajaciones similares a las de Wesson experimentalmente en ocasiones. [7]
Los primeros resultados de una simulación numérica que permitió verificar el modelo de Kadomtsev se publicaron en 1976. [8] Esta simulación demostró una única relajación en diente de sierra similar a la de Kadomtsev. En 1987 se publicaron los primeros resultados de una simulación que demostraba relajaciones repetidas y cuasiperiódicas en diente de sierra. [9] Los resultados de las simulaciones resistivas MHD de relajaciones repetidas en diente de sierra generalmente dan tiempos de choque y tiempos de período en diente de sierra razonablemente precisos para tokamaks más pequeños con números de Lundquist relativamente pequeños . [10]
En tokamaks grandes con números de Lundquist mayores, se observa que las relajaciones en dientes de sierra ocurren mucho más rápido de lo que predice el modelo resistivo de Kadomtsev. Las simulaciones que utilizan ecuaciones de modelos de dos fluidos o términos no ideales en la ley de Ohm además del término resistivo, como los términos de Hall y de inercia electrónica, pueden explicar los tiempos de choque rápidos observados en tokamaks calientes. [11] [12] Estos modelos pueden permitir una reconexión mucho más rápida a baja resistividad.
Los tokamaks grandes y calientes con poblaciones significativas de partículas rápidas a veces experimentan los llamados "dientes de sierra gigantes". [13] Los dientes de sierra gigantes son relajaciones mucho más grandes y pueden causar interrupciones. Son una preocupación para el ITER . En los tokamaks calientes, en algunas circunstancias, las especies minoritarias de partículas calientes pueden estabilizar la inestabilidad de los dientes de sierra. cae muy por debajo de la unidad durante el largo período de estabilización, hasta que se desencadena la inestabilidad y el choque resultante es muy grande.
