Modo de alto confinamiento

Tipo de estado del plasma que se puede lograr en la investigación del tokamak

En física del plasma y fusión por confinamiento magnético , el modo de alto confinamiento (modo H) es un fenómeno y régimen operativo de confinamiento mejorado en plasma toroidal como los tokamaks . Cuando la potencia de calentamiento aplicada se eleva por encima de cierto umbral, un plasma toroidal pasa abruptamente del modo de bajo confinamiento (modo L) al modo H, donde el tiempo de confinamiento de energía aproximadamente duplica su magnitud.

En el modo H, el cambio de confinamiento es más evidente en el borde del plasma, donde el gradiente de presión aumenta rápidamente debido al aumento de la densidad del borde, lo que lleva a la formación de una estructura similar a un pedestal en el perfil radial del plasma. parámetros. También suele presentar un tipo de inestabilidad magnetohidrodinámica llamada modos localizados en los bordes (ELM) , que aparecen como ráfagas periódicas de partículas y flujo de calor y que potencialmente pueden causar un calentamiento excesivo de los componentes orientados al plasma .

El mecanismo físico del modo H no está claro actualmente. Se cree que el confinamiento mejorado está relacionado con una turbulencia de plasma significativamente reducida en el borde. Una posible explicación se refiere al aumento de la cizalladura del flujo que suprime el transporte turbulento en el borde del plasma.

El modo H fue descubierto por Friedrich Wagner y su equipo en 1982 durante experimentos de calentamiento con haz neutro en ASDEX . ^[1] Desde entonces se ha reproducido en todos los principales dispositivos de confinamiento toroidal y está previsto que funcione en el ITER .

Escalada de confinamiento

Del triple producto de fusión se sabe que tanto la temperatura como el tiempo de confinamiento de energía del combustible de fusión deben ser lo suficientemente altos para la ignición por fusión . Sin embargo, se descubrió que el tiempo de confinamiento de energía aumenta inversamente con la potencia aplicada. Antes del descubrimiento del modo H, todos los tokamaks operaban en lo que ahora se llama modo L, o modo de bajo confinamiento. El modo L se caracteriza por cantidades relativamente grandes de turbulencia, lo que permite que la energía escape del plasma confinado. El tiempo de confinamiento de energía para el modo L del tokamak viene dado empíricamente por la expresión de escala del ITER89-P: ^[2] ${\displaystyle \tau _{E}}$

${\displaystyle \tau _{E}^{\text{ITER89-P}}=0.038M^{0.5}I_{\text{P}}^{0.85}R^{1.5}\epsilon ^{0.3}\kappa ^{0.5}n^{0.1}B^{0.2}P^{-0.5}}$

dónde

• ${\displaystyle M}$es el número de masa isotópica del hidrógeno
• ${\displaystyle I_{\text{P}}}$es la corriente de plasma en ${\displaystyle {\text{MA}}}$
• ${\displaystyle R}$es el radio mayor en ${\displaystyle {\text{m}}}$
• ${\displaystyle \epsilon }$es la relación de aspecto inversa
• ${\displaystyle \kappa }$es el alargamiento del plasma
• ${\displaystyle n}$es la densidad plasmática promediada por líneas en ${\displaystyle 10^{19}{\text{m}}^{-3}}$
• ${\displaystyle B}$es el campo magnético toroidal en ${\displaystyle {\text{T}}}$
• ${\displaystyle P}$es la potencia calorífica total en ${\displaystyle {\text{MW}}}$

En 1982 se descubrió en el tokamak ASDEX que cuando la potencia de calentamiento aplicada se eleva por encima de un cierto umbral, el plasma pasa espontáneamente a un estado de mayor confinamiento en el que el tiempo de confinamiento de energía aproximadamente duplica su magnitud, ^[1] aunque todavía muestra una inversa. dependencia de la potencia de calefacción. Este régimen de confinamiento mejorado se denominó modo H, y el estado anterior de confinamiento inferior se denominó a su vez modo L.

Debido a sus propiedades de confinamiento mejoradas, el modo H se convirtió rápidamente en el régimen operativo deseado para la mayoría de los diseños futuros de reactores tokamak. La base física de ITER se basa en el escalado empírico de tiempo de confinamiento de energía en modo H de ELMy. ^[3] Una de esas escalas denominada IPB98(y,2) dice:

${\displaystyle \tau _{E}^{\text{IPB98(y,2)}}=0.0562M^{0.19}I_{\text{P}}^{0.93}R^{1.97}\epsilon ^{0.58}\kappa ^{0.78}n^{0.41}B^{0.15}P^{-0.69}}$

Propiedades físicas

transición LH

Barrera de transporte de borde y pedestal.

Modos localizados en el borde (ELM)

Ver también

• Modo localizado en el borde , una inestabilidad del modo H

Referencias

1. Cómo Fritz Wagner "descubrió" el modo H.
2. Yushmanov, PN; Takizuka, T.; Riedel, KS; Kardaun, OJWF; Cordey, JG; Kaye, SM; Post, DE (1 de octubre de 1990). "Escalas para confinamiento energético en tokamak". Fusión nuclear . 30 (10): 1999–2006. arXiv : 1910.02381 . doi :10.1088/0029-5515/30/10/001.
3. Grupo de Expertos en Física del ITER sobre Confinamiento y Transporte; Grupo de expertos en física del ITER sobre modelado de confinamiento y bases de datos; Editores de bases de física del ITER (diciembre de 1999). "Capítulo 2: Confinamiento y transporte de plasma". Fusión nuclear . 39 (12): 2175–2249. Código bibliográfico : 1999NucFu..39.2175I. doi :10.1088/0029-5515/39/12/302. {{cite journal}}: |last3=tiene nombre genérico ( ayuda )