Encendido de plasmas en Stellarators mediante calentamiento electrónico ciclotrónico en segundo armónico

Abstract

La generación de un plasma en un dispositivo de confinamiento magnético de tipo stellarator, mediante calentamiento por resonancia electrónica (ECRH) en segundo armónico, es el tema central de esta tesis doctoral. El resultado fundamental del trabajo es un modelo de encendido que, dadas unas condiciones de presion inicial y potencia inyectada, reproduce la cascada de ionización del gas neutro inyectado y confirma la responsabilidad de las interacciones no lineales - producidas entre los electrones profundamente atrapados en alguno de los pozos magnéticos del dispositivo de confinamiento y una onda electromagnética propagándose a una frecuencia correspondiente a dos veces la frecuencia de Larmor - en la creación de un plasma de hidrógeno en un stellarator. Con este modelo, podemos plantear un sistema no lineal de ecuaciones de balance acopladas, cuya resolución numérica, mediante un código programado expresamente al efecto, permite conocer la evolución temporal de las densidades de todas las especies implicadas. La discretización del espacio de energía de los electrones, y la consideración de los principales procesos de física atómica y molecular implicados, permite tener en cuenta el balance detallado de energía. Debido a que, gracias a la discretización, electrones de distinta energía son considerados como especies distintas, uno de los resultados de la simulación es la evolución de la función de distribución de energía electrónica durante el encendido. La introducción de los procesos de colisión entre electrones mediante un operador obtenido a partir de la ecuación de Fokker-Planck, demuestra ser absolutamente necesaria para conseguir una evolución realista de dicha función y una descripción correcta del balance de energía. El cálculo aproximado del campo eléctrico inicial, producido por la dispersión del haz de microondas al entrar en el interior del dispositivo, necesario para determinar los parámetros de la interacciones no lineales, es también un resultado relevante del trabajo. El método usado para su determinación es más intuitivo y mejora sustancialmente el empleado en trabajos anteriores. La caracterización, tanto teórica como experimental, del encendido, se hace mediante el ritmo de crecimiento inicial de las especies consideradas y el tiempo de encendido, determinado por la posición del máximo de la emisión de la línea a del espectro de emisión del hidrógeno respecto del inicio del pulso de ECRH. Ambas magnitudes son un resultado directo del modelo y pueden medirse con relativa facilidad. La comparación preliminar con la realidad experimental del stellarator TJ-II indica un acuerdo razonablemente bueno